換熱器原理與設(shè)計第六章電子設(shè)備散熱新技術(shù)2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焦湯制冷器第六章熱電半導(dǎo)體制冷器半導(dǎo)體制冷又稱熱電制冷，或者溫差電制冷，是從50年代發(fā)展起來的一門介于制冷技術(shù)和半導(dǎo)體技術(shù)邊緣的學(xué)科。它利用特種半導(dǎo)體材料構(gòu)成的P-N結(jié)，形成熱電偶對，產(chǎn)生珀爾帖效應(yīng)，即通過直流電制冷的一種新型制冷方法，與壓縮式制冷和吸收式制冷并稱為世界三大制冷方式。電偶臂結(jié)點處吸收的熱量為式中：π——帕爾帖系數(shù)，π=(αP－αN)Tc，單位為V，故該系 數(shù)又稱為帕爾帖電壓；αP、αN——P型和N型半導(dǎo)體材料的溫差電動熱，V/℃；

I——直流電流，A；

Tc——冷端溫度，K。二、塞貝克效應(yīng)（逆效應(yīng)）1821年塞貝克（T.J.Seebeck）發(fā)現(xiàn)：用兩種不同導(dǎo)體相互連接而形成的回路中，若在其兩端的接頭處維持某一溫差，則將在回路中產(chǎn)生電動勢。電動勢的大小與溫差成正比，即或式中：α——塞貝克系數(shù)，V/℃，與半導(dǎo)體材料的性質(zhì)有關(guān)。四、焦耳效應(yīng)電阻生熱效應(yīng)。式中：R——導(dǎo)體的電阻；I——通過導(dǎo)體的電流。五、傅立葉效應(yīng)傅立葉導(dǎo)熱定律式中：λ——導(dǎo)體的導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m·K)；

A——導(dǎo)體的橫截面面積，m2；

l——溫差電偶對的長度，m；Δt——電偶對兩結(jié)點的溫差，℃。制冷器冷端凈吸熱的基本方程

設(shè)計熱電制冷器時，通常忽略湯姆遜熱的影響，而且這種忽略所引起的誤差不會太大。

在x＝L的冷端處，凈抽吸熱等于帕爾帖熱減去焦耳熱和傅立葉導(dǎo)熱帶來的損失，如以Tc表示冷端溫度，則有

故制冷器冷端凈吸熱量熱電制冷裝置的優(yōu)點：①可采用直流電源，并以改變電流方向的方法達到加熱或制冷的目的。用于加熱時的效率可大于1。②無運轉(zhuǎn)部件，故可靠性高。③對重力不敏感。④制冷的速度和溫度可通過工作電流進行控制。⑤裝置的只寸不受限制，可根據(jù)設(shè)備的制冷要求進行組裝。熱電制冷裝置的主要缺點是工作效率較低，尤其是需要采用大電流的直流電源，其體積和重量較大。其制冷溫度也比不上機械式制冷機低。因此僅適用于制冷量小、制冷溫度不太低的電子器件冷卻或作為恒溫器使用。

半導(dǎo)體溫差電片件應(yīng)用范圍有：制冷、加熱、發(fā)電，制冷和加熱應(yīng)用比較普遍，有以下幾個方面：1、軍事方面：導(dǎo)彈、雷達、潛艇等方面的紅外線探測、導(dǎo)行系統(tǒng)。2、醫(yī)療方面；冷力、冷合、白內(nèi)障摘除片、血液分析儀等。3、實驗室裝置方面：冷阱、冷箱、冷槽、電子低溫測試裝置、各種恒溫、高低溫實驗儀片。4、專用裝置方面：石油產(chǎn)品低溫測試儀、生化產(chǎn)品低溫測試儀、細(xì)菌培養(yǎng)箱、恒溫顯影槽、電腦等。5、日常生活方面：空調(diào)、冷熱兩用箱、飲水機、電子信箱、電腦以及其他電器等。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：⑴深冷熱管——工作溫度范圍為100～200K。工質(zhì)可選用純化學(xué)元素，如氦、氬、氮、氧等，或乙烷、氟利昂的化合物。⑵低溫?zé)峁堋ぷ鳒囟确秶鸀?00～250K。工質(zhì)可選用水、氟利昂、氨、酒精、丙酮等有機物質(zhì)。⑶中溫?zé)峁堋ぷ鳒囟确秶鸀?50～750K。工質(zhì)可選用導(dǎo)熱姆A（聯(lián)苯—苯醚共溶體）、水銀、硫、銫等物質(zhì)。⑷高溫?zé)峁堋ぷ鳒囟确秶笥?50K。工質(zhì)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(zhì)組成。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。兩相閉式熱虹吸管三.旋轉(zhuǎn)熱管

旋轉(zhuǎn)熱管的概念是由Gray于1969年首次提出的。旋轉(zhuǎn)熱管的顯著特征是熱管自身是旋轉(zhuǎn)件，因而可以用于所有需要冷卻散熱的旋轉(zhuǎn)零部件，如電機轉(zhuǎn)子，發(fā)動機電動機轉(zhuǎn)軸等的冷卻，具有實際應(yīng)用價值。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。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℃。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(dāng)?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10～500μm。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。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(zhì)（空氣、水等）之間的傳熱阻力。

R10——熱管管壁沿軸向的導(dǎo)熱熱阻。

R11——熱流通過吸液芯時軸向?qū)釤嶙?。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熱管的傳熱極限

從圖中可以看出：當(dāng)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(yīng)防止出現(xiàn)毛細(xì)極限及沸騰極限。故熱管的工作點必須選擇在包絡(luò)線的下方。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(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(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(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、溶解熱管研究的關(guān)鍵技術(shù)

（1）溫度展平（均溫技術(shù)）（2）匯源分隔（3）變換熱流密度（4）熱控制(可變導(dǎo)熱管)（5）單向?qū)?熱二極管)（6）旋轉(zhuǎn)元件的傳熱(旋轉(zhuǎn)熱管)（7）微型熱管技術(shù)（8）高溫?zé)峁芗夹g(shù)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。二、工質(zhì)選擇1選擇要求①工質(zhì)與管殼材料及吸液芯應(yīng)相容，對熱管的安全工作和可靠性不產(chǎn)生有害的影響。②工質(zhì)的工作溫度范圍可選在工質(zhì)的凝固點與臨界溫度之間，一般以接近工質(zhì)的沸點為宜。③工質(zhì)的品質(zhì)因素高。④重力場條件下的熱管，工質(zhì)的選用應(yīng)計及毛細(xì)力的提升高度。⑤選用的工質(zhì)無毒、不易爆、使用安全。某些器件（如行波管）用的工質(zhì)還應(yīng)具有良好的電絕緣性能。2適合電子設(shè)備用的熱管工質(zhì)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足夠的機械強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，