吸液芯工質導熱系數(shù)-PPT精品課件

1、電子設備散熱新技術1熱電半導體制冷器2熱管散熱器3焦湯制冷器第七章 熱管散熱器7.1 概述 1965年Coffer發(fā)表了熱管理論熱管技術的特點 熱管的傳熱能力高利用工質的相變傳熱。 熱管的均溫特性好管內(nèi)蒸氣處于飽和狀態(tài)。 具有可變換熱流密度的能力實現(xiàn)“熱變壓器”。 具有良好的恒溫特性充有惰性氣體的可控熱管。(5) 環(huán)境的適應性7.2 熱管的類型及其工作原理熱管按其工作溫度范圍可分為： 深冷熱管工作溫度范圍為100200K。工質可選用純化學元素，如氦、氬、氮、氧等，或乙烷、氟利昂的化合物。 低溫熱管工作溫度范圍為200250K。工質可選用水、氟利昂、氨、酒精、丙酮等有機物質。 中溫熱管工作溫度范

2、圍為550750K。工質可選 用導熱姆A（聯(lián)苯苯醚共溶體）、水銀、硫、銫等物質。 高溫熱管工作溫度范圍大于750K。工質可選用鉀、鋰、鋁、銀等高熔點液態(tài)金屬。一、普通熱管普通熱管由管殼、吸液芯和工質組成。熱管中工質流動的阻力： 液體從冷凝端返回蒸發(fā)端所產(chǎn)生的阻力pl； 蒸氣從蒸發(fā)端流向冷凝端所遇到的阻力pv； 熱管傾斜放置時，重力對軸向壓力的影響pg；熱管正常工作必須滿足的壓力平衡式為：二.兩相閉式熱虹吸管 兩相閉式熱虹吸管又稱為重力熱管。 與普通熱管原理一樣，但不同的是熱管內(nèi)沒有吸液芯，冷凝液的回流主要是靠自身的重力作用，因此，熱虹吸管的作用有一定的方向性：冷凝段位置必須高于蒸發(fā)段。其結構簡

3、單、制造方便、成本低廉、而且傳熱性能優(yōu)良、工作可靠，因此在地面上的各類傳熱設備中都可以作為高效傳熱元件，其應用領域非常廣泛。兩相閉式熱虹吸管三.旋轉熱管 旋轉熱管的概念是由Gray于1969年首次提出的。旋轉熱管的顯著特征是熱管自身是旋轉件，因而可以用于所有需要冷卻散熱的旋轉零部件，如電機轉子，發(fā)動機電動機轉軸等的冷卻，具有實際應用價值。四.分離式熱管 分離式熱管結構示意圖 分離式熱管的結構如左圖所示，其蒸發(fā)段和冷凝段是分開的，通過蒸汽上升管和液體下降管連通形成一個自然循環(huán)回路。 分離式熱管的冷凝段必須高于蒸發(fā)段，液體下降管與蒸汽上升管之間會形成一定的密度差，這個密度差所能提供的壓頭與冷凝段和

4、蒸發(fā)段的高度差密切相關，它用以平衡蒸汽流動和液體流動的壓力損失，維系著系統(tǒng)的正常運行而不再需要外加動力。 分離式熱管最大的特點是冷凝段和蒸發(fā)段可以較遠距離安裝，從而使得冷熱流體完全隔離，避免了相互滲漏的問題 ，安全性能較經(jīng)典熱管大為提高。五、可變導熱管改變熱導的方式有： 控制返回蒸發(fā)端的冷凝液，使蒸發(fā)端局部干涸（相當于蒸發(fā)面積減少），熱導降低； 改變蒸氣流動的通道，使蒸氣流的熱阻增加（相當于熱導降低）； 在冷凝端內(nèi)充填惰性氣體，如氮、氦、氬等。熱管啟動后，蒸氣流將氣體驅使至冷凝端，從而相當于減少部分冷凝面積，使熱導減少。圖9-7a、b、c、d、e為充填有惰性氣體的可控熱管示意圖。 近年來還出現(xiàn)

5、了一種平板式可變導熱管，其表面積為1270mm860mm，內(nèi)部熱負荷變化為23.6W/cm2，控溫范圍為205。六.微型熱管及小型熱管微型熱管橫截面示意圖 定義：微型熱管被定義為液汽交界面的平均曲率在數(shù)量上和液體總流通截面水力半徑的倒數(shù)相當?shù)囊环N熱管。典型的微型熱管有凸面、銳角的截面(例如多邊形)，水力半徑范圍為10500m。其典型橫截面形狀如上圖所示。對于小型熱管，其最小截面直徑為1mm數(shù)量級。七、毛細泵回路 熱管作為高效的傳熱元件已廣泛應用于各個領域，然而在地面上，如果熱管的蒸發(fā)段位于冷凝段之上，其傳熱能力就將受到限制，毛細泵回路可以解決這一問題，其基本工理與普通熱管的基本原理相似，但其可

6、處于任何位置長距離有效換熱。 其概念首先是由美國NASA Lewis研究中心的Stenger于1966年提出的，可有效地用于小溫差、長距離、無附加動力的熱量回收，也可用于航天器的熱管理系統(tǒng)，并可能使大型航天器的熱管理系統(tǒng)出現(xiàn)巨大的變革。 毛細泵回路以其獨特的工作方式工作，具有以下工作特點： (1)具有較高的傳熱能力 (2)具有優(yōu)良的控溫特性(3)熱分享特性(4)壓力灌注特性 (5)熱二極管特性 毛細泵回路的研究已經(jīng)成為目前研究的熱點之一，它在空間站、現(xiàn)代通訊衛(wèi)星、大功率宇宙飛船、電子元器件的冷卻方面都有著廣闊的應用前景。7.3 普通熱管的 傳熱性能一、熱管的傳熱過程 R1 熱源輸入熱管過程中所

7、遇 到的阻力（即熱源與管壁外表面的傳熱熱阻）。 R2 熱流通過熱管管壁的阻力。 R3 熱流通過各種吸液芯以及壁和液體之間的阻力。 R4 蒸氣流逸液汽交界面的阻力； R5 蒸氣流在管內(nèi)由蒸發(fā)端向冷凝端轉移過程的阻力。 R6 蒸氣進入汽液分界面的阻力。 R7 冷凝液通過吸液芯的阻力。 R8 冷凝液通過冷凝端管壁的阻力。 R9 冷凝液與冷卻介質（空氣、水等）之間的傳熱阻力。 R10 熱管管壁沿軸向的導熱熱阻。 R11 熱流通過吸液芯時軸向導熱熱阻。 表中定義式中的各符號意義： Ae、 Ac 蒸發(fā)端和冷凝端的表面積，m2； e、 c 蒸發(fā)端和冷凝端的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)，W/(m2K)； w、 、 l 固體壁

8、面、吸液芯、工質的導熱系數(shù)，W/(mK)； r1、 r2 圓形熱管的內(nèi)、外半徑，m； e、 w 熱管管壁和吸液芯的厚度，m； e 吸液芯組合導熱系數(shù)， W/(mK)； 空隙率， rs 工質的汽化潛熱，J/kg； pv 熱管內(nèi)的蒸氣壓力，Pa； Rg 蒸氣的氣體常數(shù)， RgR/M; R 摩爾氣體常數(shù)，R8.3103 J/(molK)； M 蒸氣的摩爾質量，100時水蒸氣的M18kg/mol； T 蒸氣的熱力學溫度，K。熱管的總傳熱量為熱管的總熱阻為熱管的傳熱極限 從圖中可以看出：當工作溫度低時，最易出現(xiàn)粘性極限及聲速極限。 而在高溫下則應防止出現(xiàn)毛細極限及沸騰極限。故熱管的工作點必須選擇在包絡線

9、的下方。 什么叫連續(xù)流動極限？ 對于小熱管，如微型熱管，以及工作溫度很低的熱管，熱管內(nèi)的蒸氣流動可能處于自由分子狀態(tài)或稀薄、真空狀態(tài)。這時，由于不能獲得連續(xù)的蒸氣流，傳熱能力將受到限制。什么叫冷凍啟動極限？ 在從冷凍狀態(tài)啟動過程中，蒸發(fā)端來得蒸氣可能在絕熱段或冷凝段再次冷凍，這將耗盡蒸發(fā)段來的工作介質，導致蒸發(fā)段干涸，熱管無法正常啟動工作。 什么叫黏性極限？ 在蒸汽溫度低時，工作流體的蒸汽在熱管內(nèi)的流動受粘性力支配，即熱管中蒸汽流動的粘滯阻力限制了熱管的最大傳熱能力。粘性極限只與工質物性、熱管長度和蒸汽通道直徑有關，而與吸液芯的幾何形狀和結構形式無關。 什么叫聲速極限？ 熱管中的蒸汽流動類似于

10、拉伐爾噴管中的氣體流動。當蒸發(fā)段溫度一定，降低冷凝段溫度可使蒸汽流速加大，傳熱量因而加大。但當蒸發(fā)段出口汽速達到聲速時，進一步降低冷凝段溫度也不能再使蒸發(fā)段出口處汽速超過聲速，因而傳熱量也不再增加，這時熱管的工作達到了聲速的極限。什么叫冷凝極限? 冷凝極限指通過冷凝段汽-液交界面所能傳遞的最大熱量。熱管最大傳熱能力可能受到冷凝段冷卻能力的限制，不凝性氣體的存在降低了冷凝段的冷卻效率。什么叫沸騰極限? 熱管工作中當其蒸發(fā)段徑向熱流密度很大時，將會使管芯內(nèi)工作液體沸騰。當徑向熱流密度達到某一臨界值時，對于吸液芯的熱管，由于所發(fā)生的大量汽泡堵塞了毛孔，減弱或破壞了毛細抽吸作用，致使凝結液回流量不能滿

11、足蒸發(fā)要求。 什么叫攜帶極限? 熱管中蒸汽與液體的流動方向相反，在交界面上二者相互作用，阻止對方流動。液體表面由于受逆向蒸汽流的作用產(chǎn)生波動，當蒸汽速度高到能把液面上的液體剪切成細滴并把它帶到冷凝段時，液體被大量攜帶走，使應當通過毛細芯返回蒸發(fā)段去的液體不足甚至中斷，從而造成蒸發(fā)段毛細芯干涸，使熱管停止工作，這就達到了熱管的攜帶傳熱極限。 什么叫毛細極限? 在熱管運行中，當熱管中的汽體液體的循環(huán)壓力降與所能提供的最大毛細壓頭達到平衡時，該熱管的傳熱量也就達到了最大值。如果這時加大蒸發(fā)量和冷凝量，則會因毛細壓頭不足使抽回到蒸發(fā)段的液體不能滿足蒸發(fā)所需要的量，以致會發(fā)生蒸發(fā)段吸液芯的干涸和過熱。導

12、致殼壁溫度劇烈升高，甚至“燒毀”。熱管的相容性及壽命(1)產(chǎn)生不凝性氣體 (2)工作液體物性惡化 (3)管殼材料的腐蝕、溶解熱管研究的關鍵技術 （1）溫度展平（均溫技術）（2）匯源分隔 （3）變換熱流密度 （4）熱控制(可變導熱管) （5）單向導熱(熱二極管) （6）旋轉元件的傳熱(旋轉熱管)（7）微型熱管技術 （8）高溫熱管技術 7.4 熱管設計 設計技術要求； 工質選擇； 吸液芯選擇； 管殼設計； 傳熱量校核。一、設計技術要求 工作溫度 根據(jù)電子設備器件及整機的溫度控制要求，熱管的工作溫度范圍一般為50200。個別器件，如調速管的集電極許用溫度可達270。 傳熱量 根據(jù)器件的耗散功率和工作

13、環(huán)境條件確定熱管所需傳遞的功率（由幾毫瓦至幾十千瓦）。 熱特性 按電子器件耗散功率的大小以及溫度控制的要求均溫、恒溫或控溫，來設計蒸發(fā)端、冷凝端、吸液芯和管殼的幾何形狀、尺寸。 工作環(huán)境 根據(jù)電子設備的工作環(huán)境條件（地面、海上或航空等）來估計重力場對熱管工作的影響，同時確定冷凝端與冷卻介質的連接方式。 結構尺寸 用戶提供的熱管外形、尺寸及重量等指標要求。二、工質選擇1 選擇要求 工質與管殼材料及吸液芯應相容，對熱管的安全工作和可靠性不產(chǎn)生有害的影響。 工質的工作溫度范圍可選在工質的凝固點與臨界溫度之間，一般以接近工質的沸點為宜。 工質的品質因素高。 重力場條件下的熱管，工質的選用應計及毛細力的

14、提升高度。 選用的工質無毒、不易爆、使用安全。某些器件（如行波管）用的工質還應具有良好的電絕緣性能。2 適合電子設備用的熱管工質三、吸液芯的選擇 吸液芯的兩大作用： 提供足夠的毛細泵力； 將液體均勻分布在蒸發(fā)端上。1 選擇要求 吸液芯要有足夠的毛細泵力； 具有較高的滲透率； 吸液芯的傳熱特性好； 吸液芯具有足夠的剛性，以保證和管壁的緊密接觸； 制造簡單、可靠、經(jīng)濟型好。2 吸液芯的類型3 吸液芯的滲透率4 吸液芯的有效導熱系數(shù)5 吸液芯的特性6 吸液芯的傳熱系數(shù)四、管殼設計 材料的選用； 結構形式及幾何形狀的確定； 管殼強度的校核。1 材料 與工質相容（參考表9-8選取）； 濕潤性良好； 導熱

15、系數(shù)高； 足夠的機械強度和良好的加工性能。適合于電子設備熱管用的管殼材料主要有紫銅無氧銅、鋁合金、不銹鋼等。管徑設計 管徑設計的一個基本原則就是管內(nèi)的蒸汽速度不超過一定的極限值，這個極限值就是在蒸汽通道中最大馬赫數(shù)不能超過0.2，這時蒸汽流動可以被認為是不可壓縮的流體流動，軸向溫度梯度很小，可以忽略不計。 管殼設計熱管部工作時，一般處于負壓狀態(tài)（低溫熱管除外），外界壓力一般為大氣壓力，故可以不考慮管殼失穩(wěn)的問題，因而管殼的設計主要從強度考慮。管殼壁厚由強度計算所得壁厚加上腐蝕裕度得出，端蓋則可以按照平板的設計較容易的設計。吸液芯設計設計吸液芯的依據(jù)是毛細極限的計算。毛細極限的檢驗 驗算驗算攜帶極限、沸騰極限，最后核算Re數(shù)，驗算是否為層流流動。2管殼結構設計2 管殼結構 圓管 用光管或在圓管內(nèi)壁加工成軸向槽或周向螺紋槽。 同心圓筒組成 的徑向熱管 圖9-14為10kW調速管熱管散熱器。 扁平熱管 柔性熱管 小功率電子器