回路熱管的模擬及優(yōu)化設(shè)計

1、2020/12/3,1,回路熱管的模擬及優(yōu)化設(shè)計,2020/12/3,2,1.1 研究背景,電子產(chǎn)品小型化 功率增大 熱流密度增大 計算機CPU散熱,2020/12/3,3,1.2.1 回路熱管簡介,回路熱管(Loop Heat Pipe， LHP)是由俄羅斯科學(xué)家Yu. F. Maidanik教授所發(fā)明的一種傳熱裝置。 回路熱管由蒸發(fā)器，蒸汽段，冷凝器，回流段，補償室五個部分組成。 傳熱原理：工質(zhì)相變,2020/12/3,4,1.2.2 回路熱管的工作原理,熱負荷蒸發(fā)器吸液芯液體蒸發(fā)毛細力和表面張力壓差蒸汽流動冷凝器 放熱液體流動 回補償室,2020/12/3,5,1.2.3 回路熱管的優(yōu)點

2、,回路熱管利用毛細現(xiàn)象進行傳熱，不需要外加動力 可以遠距離傳熱，長達數(shù)米以上 汽液通道分離的設(shè)計，能承受比熱管更高的熱量 其管路的形狀無絕對性，所以可依不同的情況進行不同的設(shè)計，相當具有彈性,2020/12/3,6,1.2.4 回路熱管的應(yīng)用及發(fā)展趨勢,航天航空：技術(shù)非常成熟 發(fā)展方向：低溫化、多蒸發(fā)器、小型化、可展開式 民用電子散熱：正在研究 發(fā)展方向：小型化(如用在電腦CPU冷卻)、廉價化(如水為工質(zhì)),2020/12/3,7,1.3 SINDA/FLUINT簡介,SINDA/FLUINT是一個應(yīng)用于復(fù)雜系統(tǒng)熱設(shè)計分析和流體流動分析的綜合性軟件。 能夠模擬電子、汽車、石油化工、航空航天等領(lǐng)

3、域內(nèi)存在的復(fù)雜熱/流體系。 為NASA(美國航天航空局)唯一指定熱和液體流動分析的軟件,2020/12/3,8,1.4 研究目的,對回路熱管進行小型化設(shè)計，使其最終可以用于電子散熱 討論回路熱管傳熱性能的評價指標 用SINDA/FLUINT對初始設(shè)計的回路熱管進行模擬 討論回路熱管的各種參數(shù)對其傳熱性能的影響 優(yōu)化性能,2020/12/3,9,2.1 回路熱管的評價指標,最低啟動功率 最高運行功率 穩(wěn)定操作溫度 回路的熱阻,模型,2020/12/3,10,2.2 最低啟動功率,回路熱管正常工作時所需加在蒸發(fā)端的最小功率(熱量) 工質(zhì)的特性對啟動有著顯著的影響。在本文中，由于從經(jīng)濟的角度出發(fā)，直

4、接選用水作為工質(zhì)，從而不再討論不同工質(zhì)的影響。 另外，由于本文認為所研制的回路熱管的工作時的功率都比較高，故不再考慮啟動極限的具體數(shù)值。,返回,2020/12/3,11,2.3 最高運行功率,回路熱管將被燒毀時的最高運行功率 太空的回路熱管評價用得比較多，但本文不刻意去討論最高運行功率。 太空最主要考慮的是將熱量導(dǎo)走 本文要求電子芯片有一個正常工作的溫度范圍。而芯片燒毀時回路熱管可能還遠遠到達不了燒毀。,返回,2020/12/3,12,2.4 穩(wěn)定操作溫度,蒸發(fā)器壁在某一特定功率下穩(wěn)定操作時的溫度 穩(wěn)定的操作溫度需要指明所負荷的功率。 一般文獻上不對此作過多的討論，但本文認為這是評價用來電子芯

5、片散熱的回路的最重要的參數(shù)。 本文的優(yōu)化設(shè)計將以此為準則。,返回,2020/12/3,13,2.5 回路的熱阻,熱阻的大小表征了在熱源與冷源相差相同下，不同熱管的傳熱性能。 式中：R為熱阻，TE為蒸發(fā)器的溫度，為冷凝段的平均溫度，Q為回路的傳熱量 本文在以穩(wěn)定操作溫度為主要評價指標基礎(chǔ)上，將會進一步考察回路的熱阻。,返回,2020/12/3,14,3.1 模型介紹-總體流體模型,2020/12/3,15,3.2 模型介紹-總體熱模型,2020/12/3,16,3.3 模型介紹-蒸汽段的流體模型,2020/12/3,17,3.4 模型介紹-回流段的流體模型,2020/12/3,18,3.5 模型

6、介紹-冷凝段的流體模型,2020/12/3,19,2.6 模型介紹-散熱板的熱模型,2020/12/3,20,3 結(jié)果分析,溫度隨功率的變化 回路的熱阻 冷凝段的換熱,優(yōu)化,2020/12/3,21,3.1 結(jié)果分析-溫度隨功率的變化,返回,隨負荷端的功率上升，蒸發(fā)器的壁溫和負荷端的溫度幾乎線性上升。,在200W時，蒸發(fā)器壁的溫度為75.6，負荷端的溫度為81.3,回路熱管在熱量傳遞方面有著優(yōu)異的性能,2020/12/3,22,3.2 結(jié)果分析-回路的熱阻,熱阻的計算方法： 式中：R為熱阻， TE為蒸發(fā)器的溫度 為冷凝段的平均溫度 Q為回路的傳熱量。,返回,隨著功率的增大，回路的熱阻逐漸減小，

7、并且趨向平緩。,200W時的熱阻約為0.1K/W 一般的電子散熱裝置的熱阻只能達到0.5 K/W左右,回路熱管在傳熱方面性能優(yōu)異,2020/12/3,23,3.3 結(jié)果分析-冷凝段的換熱,返回,蒸汽點的溫度幾乎不下降，但傳熱系數(shù)大，相變傳熱 液體點的溫度下降較大，但傳熱系數(shù)小，對流傳熱 證明回路熱管主要利用相變進行熱量傳遞,按蒸汽流動方向?qū)⒗淠畏殖墒€節(jié)點，依次命名為1,2，12,2020/12/3,24,4. 優(yōu)化設(shè)計,目標：尺寸方面盡量小，最大功率達到200W以上，蒸發(fā)器的壁溫不超過85，在150W以下時傳熱性能最佳 依據(jù)：同等功率下，蒸發(fā)器的壁溫越低，性能越佳 蒸發(fā)器(圓柱形)：直徑

8、、長度 管路：蒸汽段(回流段)長度、冷凝段長度、管徑,結(jié)果,返回,2020/12/3,25,4.1.1 優(yōu)化設(shè)計-蒸發(fā)器的直徑,返回,原因： 熱流密度下降 (導(dǎo)致溫度下降)， 熱泄漏增大 (導(dǎo)致溫度上升)， 共同作用的結(jié)果,蒸發(fā)器的溫度隨著蒸發(fā)器直徑的增大先較快地減小，然后較為平緩地有所增大,2020/12/3,26,4.1.2 優(yōu)化設(shè)計-蒸發(fā)器的長度,返回,原因： 熱流密度減小， (導(dǎo)致溫度下降)， 槽道阻力上升， (導(dǎo)致溫度上升)， 共同作用的結(jié)果,隨著蒸發(fā)器的長度在增大，蒸發(fā)的溫度先迅速下降后平緩上升,2020/12/3,27,4.2.1 優(yōu)化設(shè)計-蒸汽段(回流段)長度,返回,長度增大，

9、蒸發(fā)器的壁溫會在緩慢上升,原因：增大了流動阻力,2020/12/3,28,4.2.2 優(yōu)化設(shè)計-冷凝段長度,返回,原因：增大了冷凝面積，使回流的工質(zhì)有更高過冷度，可以降低補償室乃至蒸發(fā)器的溫度,隨著冷凝段長度的增大，蒸發(fā)器壁溫一直在下降。下降的趨勢先快后慢，最后趨于平緩,2020/12/3,29,4.2.3 優(yōu)化設(shè)計-管徑,返回,原因： 1、減小了流動阻力 2、增大了冷凝面積，使回流的工質(zhì)有更高過冷度，可以降低補償室乃至蒸發(fā)器的溫度,隨著管徑的增大，負荷端的溫度在下降,2020/12/3,30,4.3 優(yōu)化設(shè)計-結(jié)果(一),2020/12/3,31,4.3 優(yōu)化設(shè)計-結(jié)果(二),2020/12

10、/3,32,4.3 優(yōu)化設(shè)計-結(jié)果(三),2020/12/3,33,5.1 結(jié)論,優(yōu)化后，蒸發(fā)器體積減少30% 10W啟動時的熱阻下降了63% 200W運行時的熱阻下降了25% 10W啟動時蒸發(fā)器的溫度下降了15 200W運行時蒸發(fā)器的溫度下降了5 設(shè)計滿足要求,2020/12/3,34,5.2 成果,從理論上討論出回路熱管的各種參數(shù)對其性能的影響，得出一個性能優(yōu)異的回路熱管模型 實用新型：一種回路熱管的蒸發(fā)器和補償室結(jié)構(gòu)及其布置方式 (申請中) 實用新型：回路熱管中一種吸液芯的槽道結(jié)構(gòu)(申請中) 專利：一種新型高效平板式回路熱管(撰寫中),2020/12/3,35,5.3 創(chuàng)新點,將回路熱管的應(yīng)用由航天向民用發(fā)展 進行小型