回路熱管的模擬及優(yōu)化設(shè)計

回路熱管的模擬及優(yōu)化設(shè)計第1頁/共37頁2023/3/2321.1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散熱第2頁/共37頁2023/3/2331.2.1回路熱管簡介回路熱管(LoopHeatPipe，LHP)是由俄羅斯科學家Yu.F.Maidanik教授所發(fā)明的一種傳熱裝置?；芈窡峁苡烧舭l(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)相變第3頁/共37頁2023/3/2341.2.2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→回補償室第4頁/共37頁2023/3/2351.2.3回路熱管的優(yōu)點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，相當具有彈性第5頁/共37頁2023/3/2361.2.4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))第6頁/共37頁2023/3/2371.3SINDA/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)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第7頁/共37頁2023/3/2381.4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)化性能第8頁/共37頁2023/3/2392.1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第9頁/共37頁2023/3/23102.2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。返回第10頁/共37頁2023/3/23112.3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。返回第11頁/共37頁2023/3/23122.4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。返回第12頁/共37頁2023/3/23132.5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。返回第13頁/共37頁2023/3/23143.1模型介紹----總體流體模型第14頁/共37頁2023/3/23153.2模型介紹----總體熱模型第15頁/共37頁2023/3/23163.3模型介紹---蒸汽段的流體模型

第16頁/共37頁2023/3/23173.4模型介紹----回流段的流體模型

第17頁/共37頁2023/3/23183.5模型介紹----冷凝段的流體模型

第18頁/共37頁2023/3/23192.6模型介紹----散熱板的熱模型第19頁/共37頁2023/3/23203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)化第20頁/共37頁2023/3/23213.1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)異的性能第21頁/共37頁2023/3/23223.2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，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0.5K/W左右回路熱管在傳熱方面性能優(yōu)異第22頁/共37頁2023/3/23233.3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第23頁/共37頁2023/3/23244.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、長度管路：蒸汽段(回流段)長度、冷凝段長度、管徑結(jié)果返回第24頁/共37頁2023/3/23254.1.1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第25頁/共37頁2023/3/23264.1.2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第26頁/共37頁2023/3/23274.2.1優(yōu)化設(shè)計----蒸汽段(回流段)長度返回長度增大，蒸發(fā)器的壁溫會在緩慢上升原因：增大了流動阻力第27頁/共37頁2023/3/23284.2.2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，最后趨于平緩第28頁/共37頁2023/3/23294.2.3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

第29頁/共37頁2023/3/23304.3優(yōu)化設(shè)計----結(jié)果(一)初始模型優(yōu)化后模型蒸發(fā)器長度/mm2025蒸發(fā)器直徑/mm2015管徑/mm3.03.5蒸汽段(回流段)長度/cm2520第30頁/共37頁2023/3/23314.3優(yōu)化設(shè)計----結(jié)果(二)第31頁/共37頁2023/3/23324.3優(yōu)化設(shè)計----結(jié)果(三)第32頁/共37頁2023/3/23335.1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)計滿足要求第33頁/共37頁2023/3/23345.2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)

第34頁/共37頁2023/3/23355.3創(chuàng)新點將回路熱管的應(yīng)用由航天向民用發(fā)展進行小型化和廉價化設(shè)計