換熱器原理與設(shè)計第七章電子設(shè)備散熱新技術(shù)1課件

電子設(shè)備散熱新技術(shù)

1熱電半導(dǎo)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(shù)的特點⑴熱管的傳熱能力高——利用工質(zhì)的相變傳熱。⑵熱管的均溫特性好——管內(nèi)蒸氣處于飽和狀態(tài)。⑶具有可變換熱流密度的能力——實現(xiàn)“熱變壓器”。⑷具有良好的恒溫特性——充有惰性氣體的可控?zé)峁堋?5)環(huán)境的適應(yīng)性一、普通熱管普通熱管由管殼、吸液芯和工質(zhì)組成。熱管中工質(zhì)流動的阻力：⑴液體從冷凝端返回蒸發(fā)端所產(chǎn)生的阻力Δpl；⑵蒸氣從蒸發(fā)端流向冷凝端所遇到的阻力Δpv；⑶熱管傾斜放置時，重力對軸向壓力的影響Δpg；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(jié)構(gòu)簡單、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(shè)備中都可以作為高效傳熱元件，其應(yīng)用領(lǐng)域非常廣泛。兩相閉式熱虹吸管四.分離式熱管

分離式熱管結(jié)構(gòu)示意圖

分離式熱管的結(jié)構(gòu)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蒸發(fā)段的高度差密切相關(guān)，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(yuǎn)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(dǎo)熱管改變熱導(dǎo)的方式有：⑴控制返回蒸發(fā)端的冷凝液，使蒸發(fā)端局部干涸（相當(dāng)于蒸發(fā)面積減少），熱導(dǎo)降低；⑵改變蒸氣流動的通道，使蒸氣流的熱阻增加（相當(dāng)于熱導(dǎo)降低）；⑶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(qū)使至冷凝端，從而相當(dāng)于減少部分冷凝面積，使熱導(dǎo)減少。圖9-7a、b、c、d、e為充填有惰性氣體的可控?zé)峁苁疽鈭D。

近年來還出現(xiàn)了一種平板式可變導(dǎo)熱管，其表面積為1270mm×860mm，內(nèi)部熱負(fù)荷變化為2～3.6W/cm2，控溫范圍為20℃±5℃。七、毛細(xì)泵回路

熱管作為高效的傳熱元件已廣泛應(yīng)用于各個領(lǐng)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(xì)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，但其可處于任何位置長距離有效換熱。其概念首先是由美國NASALewis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(xì)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(xì)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(yīng)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(zhuǎn)移過程的阻力。

R6——蒸氣進(jìn)入汽—液分界面的阻力。

R7——冷凝液通過吸液芯的阻力。

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；

αe、αc——蒸發(fā)端和冷凝端的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)，W/(m2·K)；

λw、λ、λl——固體壁面、吸液芯、工質(zhì)的導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m·K)；

r1、r2——圓形熱管的內(nèi)、外半徑，m；

δe、δw——熱管管壁和吸液芯的厚度，m；

λe——吸液芯組合導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m·K)；

ε——空隙率，

rs——工質(zhì)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)，Rg＝R/M;

R——摩爾氣體常數(shù)，R＝8.3×103J/(mol·K)；

M——蒸氣的摩爾質(zhì)量，100℃時水蒸氣的M＝18kg/mol；

T——蒸氣的熱力學(xué)溫度，K。熱管的總傳熱量為熱管的總熱阻為什么叫連續(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(zhì)，導(dǎo)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(zhì)物性、熱管長度和蒸汽通道直徑有關(guān)，而與吸液芯的幾何形狀和結(jié)構(gòu)形式無關(guān)。什么叫聲速極限？

熱管中的蒸汽流動類似于拉伐爾噴管中的氣體流動。當(dāng)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(dāng)蒸發(fā)段出口汽速達(dá)到聲速時，進(jìn)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(dá)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(dāng)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(dāng)徑向熱流密度達(dá)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(xì)抽吸作用，致使凝結(jié)液回流量不能滿足蒸發(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(dāng)蒸汽速度高到能把液面上的液體剪切成細(xì)滴并把它帶到冷凝段時，液體被大量攜帶走，使應(yīng)當(dāng)通過毛細(xì)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(xì)芯干涸，使熱管停止工作，這就達(dá)到了熱管的攜帶傳熱極限。

什么叫毛細(xì)極限?

在熱管運行中，當(dāng)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(xì)壓頭達(dá)到平衡時，該熱管的傳熱量也就達(dá)到了最大值。如果這時加大蒸發(fā)量和冷凝量，則會因毛細(xì)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(dǎo)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7.4熱管設(shè)計⑴設(shè)計技術(shù)要求；⑵工質(zhì)選擇；⑶吸液芯選擇；⑷管殼設(shè)計；⑸傳熱量校核。一、設(shè)計技術(shù)要求⑴工作溫度

根據(jù)電子設(shè)備器件及整機(jī)的溫度控制要求，熱管的工作溫度范圍一般為－50℃～200℃。個別器件，如調(diào)速管的集電極許用溫度可達(dá)270℃。⑵傳熱量

根據(jù)器件的耗散功率和工作環(huán)境條件確定熱管所需傳遞的功率（由幾毫瓦至幾十千瓦）。⑶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(shè)計蒸發(fā)端、冷凝端、吸液芯和管殼的幾何形狀、尺寸。⑷工作環(huán)境

根據(jù)電子設(shè)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(zhì)的連接方式。⑸結(jié)構(gòu)尺寸

用戶提供的熱管外形、尺寸及重量等指標(biāo)要求。三、吸液芯的選擇

吸液芯的兩大作用：①提供足夠的毛細(xì)泵力；②將液體均勻分布在蒸發(fā)端上。1選擇要求①吸液芯要有足夠的毛細(xì)泵力；②具有較高的滲透率；③吸液芯的傳熱特性好；④吸液芯具有足夠的剛性，以保證和管壁的緊密接觸；⑤制造簡單、可靠、經(jīng)濟(jì)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(dǎo)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(shè)計⑴材料的選用；⑵結(jié)構(gòu)形式及幾何形狀的確定；⑶管殼強(qiáng)度的校核。1材料①與工質(zhì)相容（參考表9-8選?。?；②濕潤性良好；③導(dǎo)熱系數(shù)高；⑤足夠的機(jī)械強(qiáng)度和良好的加工性能。適合于電子設(shè)備熱管用的管殼材料主要有紫銅無氧銅、鋁合金、不銹鋼等。①管徑設(shè)計

管徑設(shè)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(rèn)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。②管殼設(shè)計熱管部工作時，一般處于負(fù)壓狀態(tài)（低溫?zé)峁艹猓饨鐗毫σ话銥榇髿鈮毫?，故可以不考慮管殼失穩(wěn)的問題，因而管殼的設(shè)計主要從強(qiáng)度考慮。管殼壁厚由強(qiáng)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(shè)計較容易的設(shè)計。③吸液芯設(shè)計設(shè)計吸液芯的依據(jù)是毛細(xì)極限的計算。④毛細(xì)極限的檢驗⑤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(jié)構(gòu)設(shè)計2管殼結(jié)構(gòu)⑴圓管

用光管或在圓管內(nèi)壁加工成軸向槽或周向螺紋槽。⑵同心圓筒組成的徑向熱管

圖9-14為10kW調(diào)速管熱管散熱器。⑶扁平熱管⑷柔性熱管

小功率電子器件或集成電路用的熱管管殼可設(shè)計成扁平結(jié)構(gòu)，如圖9-15所示。

當(dāng)熱源與冷卻裝置需要進(jìn)行相對移動時，通常在絕熱端做成便于彎曲的波紋金屬管，而蒸發(fā)端和冷凝端均為剛性結(jié)構(gòu)，如圖