1 热管技术基本原理

热管是一种高效的无源（被动式）两相传热元件，其核心工作原理基于工质在密闭腔体内持续的相变循环。这一过程将热量从高温端（蒸发段）快速传输至低温端（冷凝段），其等效热导率可达纯铜的数十至数百倍。热管的工作循环始于蒸发段：当外部热源加热蒸发段管壁时，内壁毛细结构中的液态工质吸收热量并发生相变，转化为蒸汽。这些蒸汽在腔内微小的压差驱动下，迅速通过绝热段流向冷凝段。在冷凝段，蒸汽遇到低温环境释放出汽化潜热，重新凝结成液体。凝结后的液体在毛细力、重力或离心力等驱动机制作用下，通过毛细结构回流至蒸发段，从而形成一个封闭、高效、持续的自驱动传热循环-4。

• 通用工作模型：无论热管的具体类型如何变化，其内部传热过程均可简化为一个由蒸发、蒸汽输运、冷凝和液体回流四个环节组成的通用模型。这一模型揭示了热管超高导热性能的本质：热量传递主要依靠工质的相变潜热，而非传统的固体导热或流体对流，这使其具有极高的轴向热导率和优异的等温性-4。

• 分类与特点：根据液体回流的驱动机制，热管主要分为以下几类：

• 传统毛细热管：依靠烧结金属粉末、丝网或沟槽等毛细结构产生的毛细抽吸力驱动液体回流。其优点是对方向和重力不敏感，但存在毛细极限。

• 重力热管（热虹吸管）：无毛细结构，依靠重力使冷凝液自然回流。结构简单、成本低、传热极限高，但必须确保蒸发段位于冷凝段下方-4。

• 环路热管/毛细泵环：一种更先进的分离式热管，蒸发段与冷凝段通过独立的蒸汽管路和液体管路连接，由毛细泵驱动循环。其特点是传热距离长、抗重力能力强、热流密度处理能力高，尤其适用于航天器热控制-2。

表：主要热管类型及其特点

2 前沿技术研究现状

2.1 超长重力热管：深层地热能开发的革命性工具

超长重力热管是当前地热开发领域的前沿热点，其核心目标是实现数千米深度地热资源的“取热不取水”式开采，从而规避传统地热技术引发的地下水消耗、污染和地质风险等难题-1-9。

• 核心挑战与技术突破：当重力热管长度延伸至千米量级时，管底会形成极深的液态工质池。过深的液池会产生巨大的静压，严重抑制底部的沸腾蒸发，同时上升的蒸汽流极易卷携带液滴，导致传热性能急剧下降甚至失效-9。中国科学院广州能源研究所蒋方明研究员团队通过创新的结构设计，发明了具有阶梯回流结构的超长重力热管。这种结构能有效分割深液池，促进内部工质的循环与扰动，成功克服了深液池蒸发抑制和气液卷携的瓶颈-9。

• 里程碑式应用案例：研究团队研制了一根以氨为工质、长度达4149米的超长重力热管，并成功应用于河北雄安的地热深井中。实验结果表明，该热管系统能够实现超过1兆瓦的连续热输出，其径向截面的热通量高达4×10⁷ W/m²-9。更重要的是，团队进一步提出了热管蒸汽直驱发电的创新方案：将热管产出的高压氨蒸汽直接导入透平发电机组。基于此原理的样机已实现了约7千瓦功率的稳定发电，验证了该技术路线的工程可行性，为深层地热资源的清洁、高效、低成本利用开辟了新途径-9。

2.2 柔性/超薄热管：适应未来电子设备的形态革命

随着可折叠手机、AR/VR眼镜、柔性显示屏等新一代电子设备的兴起，散热组件必须具备柔韧性、超薄化和高性能，以适应复杂的内部空间和动态形变-2-5-10。

• 实现柔性的技术路径：柔性热管的实现主要有两种技术路线。一种是材料柔性化，采用金属波纹管、聚合物薄膜（如聚酰亚胺、铝塑复合膜）或聚四氟乙烯软管等柔性材料作为管壳-2-5。另一种是结构创新化，如厦门大学周伟教授团队提出的 “3D随形热管” 。该技术结合逆向工程与数据驱动设计，使热管能够在三维空间内进行法向弯曲、径向弯曲和扭转，像定制衣服一样完美贴合设备内部复杂的三维结构，最大等效热导率可达11363 W/m·K。其在VR设备上的应用表明，与商用方案相比，关键芯片温度最大可降低48.59%，传热极限提升4.75倍-10。

• 性能优化与最新进展：柔性设计的核心矛盾在于柔韧性与传热性能的权衡。反复弯折可能导致管壳褶皱或塌陷，阻塞蒸汽流道，使性能骤降。例如，有研究指出，某些超薄热管在弯曲180°后，最大传热功率下降超过90%-5。前沿研究正通过多种手段优化这一矛盾：

• 强化毛细芯：采用仿生多级毛细结构（如蕨类植物叶片状毛细芯）或超亲水处理，提升液体回流能力-5。

• 优化蒸汽通道：在弯曲部位设计波纹加强筋，防止弯折时通道塌陷，保证蒸汽流动顺畅。有研究表明，经过此类优化的柔性热管，在经历50次弯折后性能仍无明显衰减-5。

• 超薄环路热管：有研究团队开发了厚度仅0.7毫米的超薄柔性环路热管，其蒸汽与液体管路分离，有效减少了流阻干扰，在5瓦热负载下性能稳定，特别适用于AR眼镜铰链等狭小空间-2。

2.3 液态金属超高温热管：应对极端热环境的前沿利器

液态金属高温热管采用钠、钾、锂或其合金作为工质，工作温度可达750K（约477℃）以上，专为核反应堆、太空核电源、高超音速飞行器等极端高温场景设计-3。

• 独特优势与严峻挑战：液态金属工质在高温下饱和蒸汽压低、表面张力高、导热能力极强，使HTHP具备极高的传热能力和优异的等温性能-3。然而，其面临的最大挑战是冻结启动：在常温下，液态金属工质凝固，蒸汽近乎真空。启动时需要将蒸发段加热至工质融化并产生足够蒸汽压，这一过程可能导致蒸发段过热甚至烧毁。此外，高温下工质与管壳材料的相容性与腐蚀问题也极为突出，液态金属的“脆化”效应可能引发管壳材料开裂-3-8。

• 当前研究焦点：当前研究主要集中在三个层面以应对上述挑战：

1. 启动过程的理论与实验：建立精确的瞬态启动模型（如稀薄气体扩散模型、连续流转变模型），研究不同加热策略对安全启动的影响-3-8。

2. 材料相容性与寿命评估：深入探究高温下液态金属与不锈钢、高温合金等结构材料的长期交互作用机理，发展抗腐蚀涂层或新型复合材料-3。

3. 驱动与控制技术：探索电磁驱动等主动控制方法，以精确调控液态金属工质的流动行为，从而实现对HTHP传热功率的主动、智能管理，这是将其应用于更复杂动态系统的关键-6。

3 当前主要应用领域

热管技术凭借其无源高效、可靠灵活的特点，已成为现代高端装备和日常生活中不可或缺的热管理解决方案，其应用正不断向更广阔和更极端的领域拓展。

• 消费电子与信息技术：这是热管技术应用最广泛、创新最活跃的领域。从智能手机主板均热、笔记本电脑CPU/GPU散热，到数据中心服务器芯片的精准冷却，热管都扮演着核心角色。柔性、超薄热管的成熟，直接推动了可折叠设备、AR/VR头显、柔性显示屏等产品的热设计突破，解决了紧凑空间与动态形变下的散热难题-2-5-10。

• 航空航天与极端环境：热管是航天器热控制的“生命线”。环路热管和毛细泵环被广泛应用于卫星、空间站，将仪器设备产生的废热长距离传输并辐射到太空，或将太阳热能均匀分配到舱体，确保设备在极寒与极热交替的太空环境中处于适宜的温度区间。液态金属高温热管则是未来核动力航天器、月球/火星基地反应堆废热排出系统的关键候选技术-3。

• 能源电力与工业节能：在该领域，热管主要以重力热管的形式大规模应用。

• 地热能开发：如前所述，超长重力热管正在革新中深层地热开采模式-1-9。

• 工业余热回收：广泛应用于冶金、化工、建材等行业，回收烟气、炉窑的余热用于预热空气、生产热水或发电，显著提升能源利用率-4。

• 电力系统热管理：用于大功率LED路灯的散热、变电站变压器的降温，以及电动汽车电池包的热管理（保证温度均匀，防止热失控）-4。

表：热管技术的主要应用领域与价值

4 未来发展趋势与挑战

热管技术的未来发展将围绕 “更智能”、“更强韧”、“更融合” 三大主题展开，同时也面临着从科学原理到工程实践的多重挑战。

• 发展趋势

1. 智能化与可控化：未来的热管将不再是完全被动的元件。通过集成压电微泵、电润湿或磁流体等主动驱动单元，可以实现对工质循环的实时调控。结合嵌入式温度传感器与AI算法，将发展出能够自适应热负载变化、动态调整传热路径的智能热管理系统，以应对电子设备中随机出现的热点-6-10。

2. 极限性能突破：面向下一代高功率芯片（热流密度向kW/cm²迈进）和深空探索（温差极大）的需求，必须持续突破传热极限。研究方向包括：探索纳米流体、自润湿流体等新型工质-4；发展微纳尺度复合毛细结构以提升毛细力；完善液态金属高温热管的启动与安全控制理论-3；以及研究基于负压驱动（如水凝胶液态活塞）等新原理的超高热流散热技术。

3. 多物理场功能融合：热管将超越单一的传热功能，向 “热管+” 多功能一体化构件发展。例如，与热电材料结合构成热管-热电发电机，直接利用废热发电；或与结构材料融合，成为兼具承载、散热、电磁屏蔽等多功能于一体的设备骨架或外壳，实现电子设备的高度集成与轻量化-10。

• 面临的主要挑战

1. 科学与技术瓶颈：基础理论方面，对复杂三维流道内、极端温度/压力条件下的气液两相流动与相变机理的认识仍需深化。在材料方面，柔性封装材料的长期可靠性、液态金属与材料在极端高温下的相容性仍是制约其寿命的关键-3-5。

2. 制造与成本挑战：许多前沿技术（如3D随形热管的精密制造、高性能陶瓷毛细芯的烧结、超长热管的深井安装）工艺复杂、良品率低、成本高昂，阻碍了其从实验室走向大规模商业化应用-1-10。

3. 系统集成与标准化：如何将高性能热管最优地集成到千差万别的应用系统中，并形成模块化、标准化的设计指南和测试规范，是推动整个产业发展的关键工程挑战。

总而言之，热管技术已从一种经典的传热元件，演变为一个融合材料、力学、热学与智能控制等多学科前沿成果的高性能热管理平台。面对能源革命、信息科技发展和深空探索带来的全新热挑战，持续创新与突破的热管技术必将在其中扮演更为核心的角色。