熱管散熱技術(shù)原理.doc

熱管散熱技術(shù)原理熱管散熱的技術(shù)與原理；1引言；傳統(tǒng)散熱方式主要是空氣冷卻、強(qiáng)制風(fēng)冷散熱以及水冷；(1)空氣冷卻；也稱自然冷卻，一般是將電子元器件的發(fā)熱核心部位與；(2)風(fēng)冷散熱；這是目前最普遍的散熱方式，一般是將電力電子元器件；優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，價(jià)格低廉，安全可靠，技術(shù)成熟；缺點(diǎn)：降溫的效果有限，不能達(dá)到令人滿意的程度，并；(3)水冷散熱；其原理是利用水泵驅(qū)動(dòng)水流經(jīng)過(guò)熱源，進(jìn)熱管散熱的技術(shù)與原理1 引言傳統(tǒng)散熱方式主要是空氣冷卻、強(qiáng)制風(fēng)冷散熱以及水冷散熱。(1) 空氣冷卻也稱自然冷卻，一般是將電子元器件的發(fā)熱核心部位與型材散熱器相接觸，通過(guò)空氣的自然對(duì)流方式將熱傳導(dǎo)出來(lái)。其優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、安裝方便、成本低廉。缺點(diǎn)是散熱功率低。(2)風(fēng)冷散熱這是目前最普遍的散熱方式，一般是將電力電子元器件的發(fā)熱核心部位與散熱器相接觸將熱傳導(dǎo)出來(lái)，然后再通過(guò)風(fēng)扇轉(zhuǎn)動(dòng)，來(lái)加強(qiáng)空氣的流動(dòng)，通過(guò)強(qiáng)制對(duì)流的方式將散熱片上的熱傳至周圍的環(huán)境。優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，價(jià)格低廉，安全可靠，技術(shù)成熟。缺點(diǎn)：降溫的效果有限，不能達(dá)到令人滿意的程度，并且具有噪音，風(fēng)扇的使用壽命也有限制。(3) 水冷散熱其原理是利用水泵驅(qū)動(dòng)水流經(jīng)過(guò)熱源，進(jìn)行吸熱傳遞。優(yōu)點(diǎn)：水冷散熱效率高，熱傳導(dǎo)率為傳統(tǒng)風(fēng)冷方式的20倍以上，可以解決幾百至數(shù)千瓦的散熱問(wèn)題，是風(fēng)冷效果所不能比擬的。因?yàn)榧词故巧嵝首罡叩臏u輪風(fēng)扇風(fēng)冷散熱，其溫度比水冷散熱也要高大約10；相比于風(fēng)冷散熱，水冷散熱因?yàn)闆](méi)有風(fēng)扇，所以不會(huì)產(chǎn)生振動(dòng)現(xiàn)象，也無(wú)風(fēng)冷散熱的高噪音。金旗艦銅制散熱器60/70缺點(diǎn)：需要良好的通風(fēng)環(huán)境，并且體積大，安裝和維護(hù)不方便，容易滴漏、安全性不高，價(jià)格一般也相對(duì)較高。(4) 熱管散熱熱管是一種具有極高導(dǎo)熱性能的新型傳熱元件，它通過(guò)在全封閉真空管內(nèi)的液體的蒸發(fā)與凝結(jié)來(lái)傳遞熱量，它利用毛吸作用等流體原理，起到良好的制冷效果。具有極高的導(dǎo)熱性、良好的等溫性、冷熱兩側(cè)的傳熱面積可任意改變、可遠(yuǎn)距離傳熱、溫度可控制等特點(diǎn)。將熱管散熱器的基板與晶閘管、igbt、igct等大功率電力電子器件的管芯緊密接觸，可直接將管芯的熱量快速導(dǎo)出。 通過(guò)對(duì)上述幾種散熱方式的分析，我們不難看出，熱管散熱相對(duì)于其他幾種傳統(tǒng)散熱方式存在以下的優(yōu)勢(shì)： 熱管散熱技術(shù)具有散熱效果好，熱阻相對(duì)小，使用壽命長(zhǎng)，傳熱快的優(yōu)點(diǎn)。熱管的熱導(dǎo)系數(shù)是普通金屬的100倍以上； 傳熱方向可逆，不管任何一端都能成為蒸發(fā)端和冷凝端； 優(yōu)良的熱響應(yīng)性。熱管內(nèi)汽化的蒸汽能以接近音速的速度傳輸，從而有效的提高了導(dǎo)熱效果； 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊，重量輕，體積小，維護(hù)方便； 無(wú)功耗、無(wú)噪音、符合工業(yè)“綠色”的要求； 可以在無(wú)重力場(chǎng)的環(huán)境下使用。綜上所述：熱管傳熱利用熱傳導(dǎo)原理與致冷介質(zhì)的快速熱傳遞性質(zhì)，通過(guò)熱管將發(fā)熱物體的熱量迅速傳遞到熱源以外。采用熱管技術(shù)使得散熱器即便采用低轉(zhuǎn)速、低風(fēng)量電機(jī)，甚至不需風(fēng)機(jī)，完全采用自冷方式，同樣可以得到滿意的散熱效果，使得困擾風(fēng)冷散熱的噪音問(wèn)題以及大功率電力模塊散熱問(wèn)題得到良好解決，隨著熱管加工工藝的不斷改善，其可靠性、安全性、耐用性將會(huì)更加提高，而成本和價(jià)格也會(huì)進(jìn)一步降低。熱管散熱器將有著傳統(tǒng)散熱器所無(wú)法比擬的優(yōu)勢(shì)，它的出現(xiàn)開(kāi)辟了散熱行業(yè)的新天地。2 熱管的基本工作原理2.1 工作原理物體的吸熱、放熱是相對(duì)的，凡是有溫度差存在的時(shí)候，就必然出現(xiàn)熱從高溫處向低溫處傳遞的現(xiàn)象。熱傳遞有三種方式：輻射、對(duì)流、傳導(dǎo)，其中熱傳導(dǎo)最快。熱管就是利用蒸發(fā)制冷，使得熱管兩端溫度差很大，使熱量快速傳導(dǎo)。一般熱管由管殼、吸液芯和端蓋組成。熱管內(nèi)部被抽成負(fù)壓狀態(tài)，充入適當(dāng)?shù)囊后w（即工質(zhì)），這種液體沸點(diǎn)低，容易揮發(fā)。管壁有吸液芯，其由毛細(xì)多孔材料構(gòu)成。熱管一端為蒸發(fā)段（簡(jiǎn)稱熱端），另外一端為冷凝段（簡(jiǎn)稱冷端），當(dāng)熱管蒸發(fā)段受熱時(shí)，毛細(xì)管中的液體迅速蒸發(fā)，蒸氣在微小的壓力差下流向另外一端，并且釋放出熱量，重新凝結(jié)成液體，液體再沿多孔材料靠毛細(xì)力的作用流回蒸發(fā)段，如此循環(huán)不止，熱量由熱管一端傳至另外一端。這種循環(huán)是快速進(jìn)行的，熱量可以被源源不斷地傳導(dǎo)開(kāi)來(lái)。2.2 組成與工作過(guò)程典型的熱管由管殼、吸液芯和端蓋組成，將管內(nèi)抽成1.3(10-110-4)pa的負(fù)壓后充以適量的工作液體（即工質(zhì)），使緊貼管內(nèi)壁毛細(xì)多孔材料中的吸液芯充滿液體后加以密封。管的一端為蒸發(fā)段(加熱段)，另一端為冷凝段(冷卻段)，根據(jù)應(yīng)用需要在兩段中間可布置絕熱段。當(dāng)熱管的一端受熱時(shí)毛細(xì)芯中的液體蒸發(fā)汽化，蒸汽在微小的壓差下流向另一端，放出熱量凝結(jié)成液體，液體再沿多孔材料靠毛細(xì)力的作用流回蒸發(fā)段。如此循環(huán)不己，熱量由熱管的一端傳至另端。熱管在實(shí)現(xiàn)這一熱量轉(zhuǎn)移的過(guò)程中，包含了以下六個(gè)相互關(guān)聯(lián)的主要過(guò)程：(1)熱量從熱源通過(guò)熱管管壁和充滿工作液體的吸液芯傳遞到（液汽）分界面；(2)液體在蒸發(fā)段內(nèi)的（液汽）分界面上蒸發(fā)；(3)蒸汽腔內(nèi)的蒸汽從蒸發(fā)段流到冷凝段；(4)蒸汽在冷凝段內(nèi)的（汽液）分界面上凝結(jié)；(5)熱量從（汽液）分界面通過(guò)吸液芯、液體和管壁傳給冷源；(6)在吸液芯內(nèi)由于毛細(xì)作用使冷凝后的工作液體回流到蒸發(fā)段。2.3 工作條件圖1表示了熱管管內(nèi)汽-液交界面形狀，蒸氣質(zhì)量、流量、壓力以及管壁溫度tw和管內(nèi)蒸氣溫度tv沿管長(zhǎng)的變化趨勢(shì)。沿整個(gè)熱管長(zhǎng)度，汽-液交界處的汽相與液相之間的靜壓差都與該處的局部毛細(xì)壓差相平衡。圖1 熱管管內(nèi)汽-液交界面質(zhì)量流、壓力和溫度沿管長(zhǎng)的變化示意圖熱管正常工作的必要條件是：pc pl +pv +pg其中pc：毛細(xì)壓頭是熱管內(nèi)部工作液體循環(huán)的推動(dòng)力，用來(lái)克服蒸汽從蒸發(fā)段流向冷凝段的壓力降pv，冷凝液體從冷凝段流回蒸發(fā)段的壓力降pl，和重力場(chǎng)對(duì)液體流動(dòng)的壓力降pg（pg可以是正值，是負(fù)值或?yàn)榱?，視熱管在重力?chǎng)中的位置而定）。3 熱管的基本特性熱管是依靠自身內(nèi)部工作液體相變來(lái)實(shí)現(xiàn)傳熱的傳熱元件，具有以下基本特性。3.1 很高的導(dǎo)熱性熱管內(nèi)部主要靠工作液體的汽、液相變傳熱，熱阻很小，因此具有很高的導(dǎo)熱能力。與銀、銅、鋁等金屬相比，單位重量的熱管可多傳遞幾個(gè)數(shù)量級(jí)的熱量。當(dāng)然，高導(dǎo)熱性也是相對(duì)而言的，溫差總是存在的，可能違反熱力學(xué)第二定律，并且熱管的傳熱能力受到各種因素的限制，存在著一些傳熱極限；熱管的軸向?qū)嵝院軓?qiáng)，徑向并無(wú)太大的改善(徑向熱管除外)。3.2優(yōu)良的等溫性熱管內(nèi)腔的蒸汽處于飽和狀態(tài)，飽和蒸汽的壓力決定于飽和溫度，飽和蒸汽從蒸發(fā)段流向冷凝段所產(chǎn)生的壓降很小，根據(jù)熱力學(xué)中的方程式可知，溫降亦很小，因而熱管具有優(yōu)良的等溫性。3.3 熱流密度可變性熱管可以獨(dú)立改變蒸發(fā)段或冷卻段的加熱面積，即以較小的加熱面積輸入熱量，而以較大的冷卻面積輸出熱量，或者熱管可以較大的傳熱面積輸入熱量，而以較小的冷卻面積輸出熱量，這樣即可以改變熱流密度，解決一些其他方法難以解決的傳熱難題。3.4 熱流方向可逆性一根水平放置的有芯熱管，由于其內(nèi)部循環(huán)動(dòng)力是毛細(xì)力，因此任意一端受熱就可作為蒸發(fā)段，而另一端向外散熱就成為冷凝段。此特點(diǎn)可用于宇宙飛船和人造衛(wèi)星在空間的溫度展平，也可用于先放熱后吸熱的化學(xué)反應(yīng)容器及其他裝置；3.5熱二極管與熱開(kāi)關(guān)性能；熱管可做成熱二極管或熱開(kāi)關(guān)，所謂熱二極管就是只允；3.6恒溫特性(可控?zé)峁?；普通熱管的各部分熱阻基本上不隨加熱量的變化而變，；3.7環(huán)境的適應(yīng)性；熱管的形狀可隨熱源和冷源的條件而變化，熱管可做成；4熱管的分類；由于熱管的用途、種類和型式較多，再加上熱管在結(jié)構(gòu)；(1)按照熱管管內(nèi)工作溫度可分于先放熱后吸熱的化學(xué)反應(yīng)容器及其他裝置。3.5 熱二極管與熱開(kāi)關(guān)性能熱管可做成熱二極管或熱開(kāi)關(guān)，所謂熱二極管就是只允許熱流向一個(gè)方向流動(dòng)，而不允許向相反的方向流動(dòng)；熱開(kāi)關(guān)則是當(dāng)熱源溫度高于某一溫度時(shí)，熱管開(kāi)始工作，當(dāng)熱源溫度低于這一溫度時(shí)，熱管就不傳熱。3.6 恒溫特性(可控?zé)峁?普通熱管的各部分熱阻基本上不隨加熱量的變化而變，因此當(dāng)加熱量變化時(shí)，熱管各部分的溫度亦隨之變化。近年來(lái)出現(xiàn)了另一種新型熱管可變導(dǎo)熱管，使得冷凝段的熱阻隨加熱量的增加而降低、隨加熱量的減少而增加，這樣可使熱管在加熱量大幅度變化的情況下，蒸汽溫度變化極小，實(shí)現(xiàn)溫度的控制，這就是熱管的恒溫特性。3.7 環(huán)境的適應(yīng)性熱管的形狀可隨熱源和冷源的條件而變化，熱管可做成電機(jī)的轉(zhuǎn)軸、燃?xì)廨啓C(jī)的葉片、鉆頭、手術(shù)刀等等，熱管也可做成分離式的，以適應(yīng)長(zhǎng)距離或沖熱流體不能混合的情況下的換熱；熱管既可以用于地面(重力場(chǎng))，也可用于空間(無(wú)重力場(chǎng))。4 熱管的分類由于熱管的用途、種類和型式較多，再加上熱管在結(jié)構(gòu)、材質(zhì)和工作液體等方面各有不同之處，故而對(duì)熱管的分類也很多，常用的分類方法有以下幾種。(1)按照熱管管內(nèi)工作溫度可分為：低溫?zé)峁?-2730)、常溫?zé)峁?0250)、中溫?zé)峁?250450)、高溫?zé)峁?4501000)等。(2)按照工作液體回流動(dòng)力可分為：有芯熱管、兩相閉式熱虹吸管(又稱重力熱管)、重力輔助熱管、旋轉(zhuǎn)熱管、電流體動(dòng)力