1、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(diǎn), 熱管的傳熱能力高利用工質(zhì)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(shí)現(xiàn)“熱變壓器”。, 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：, 深冷熱管工作溫度范圍為100200K。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。, 低溫?zé)峁芄ぷ鳒囟确秶鸀?00250K。工質(zhì)可選用水、氟利昂、氨、酒精、丙酮等有機(jī)物

2、質(zhì)。, 中溫?zé)峁芄ぷ鳒囟确秶鸀?50750K。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)。, 高溫?zé)峁芄ぷ鳒囟确秶笥?50K。工質(zhì)可選用鉀、鋰、鋁、銀等高熔點(diǎn)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。,熱管中工質(zhì)流動(dòng)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(shí)，重力對(duì)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(méi)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

3、的方向性：冷凝段位置必須高于蒸發(fā)段。其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)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(jī)轉(zhuǎn)子，發(fā)動(dòng)機(jī)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸等的冷卻，具有實(shí)際應(yīng)用價(jià)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(guò)蒸汽上升管和液體下降管連通形成一個(gè)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(huì)形

4、成一定的密度差，這個(gè)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(dòng)和液體流動(dòng)的壓力損失，維系著系統(tǒng)的正常運(yùn)行而不再需要外加動(dòng)力。,分離式熱管最大的特點(diǎn)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(wèn)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：, 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；, 改變蒸氣流動(dòng)的通道，使蒸氣流的熱阻增加（相當(dāng)于熱導(dǎo)降低）；, 在冷凝端內(nèi)充填惰性氣體，如氮、氦、氬等。熱管啟動(dòng)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、

5、b、c、d、e為充填有惰性氣體的可控?zé)峁苁疽鈭D。,近年來(lái)還出現(xiàn)了一種平板式可變導(dǎo)熱管，其表面積為1270mm860mm，內(nèi)部熱負(fù)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(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10500m。其典型橫截面形狀如上圖所示。對(duì)于小型熱管，其最小截面直徑為1mm數(shù)量級(jí)。,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(gè)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

6、細(xì)泵回路可以解決這一問(wèn)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(zhǎng)距離有效換熱。 其概念首先是由美國(guó)NASA Lewis研究中心的Stenger于1966年提出的，可有效地用于小溫差、長(zhǎng)距離、無(wú)附加動(dòng)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(dú)特的工作方式工作，具有以下工作特點(diǎn)： (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(diǎn)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、7.3 普通熱管的 傳熱性能,一、熱管的傳熱過(guò)程,R1 熱源輸入熱管過(guò)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(guò)熱管管壁的阻力。,R3 熱流通過(guò)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(guò)程的阻力。,R6 蒸氣進(jìn)入汽液分界面的阻力。,R7 冷凝液通過(guò)吸液芯的阻力。,R8 冷凝液通過(guò)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(guò)吸液芯時(shí)軸向?qū)釤嶙琛?表中定義式中的各符號(hào)意義： Ae、 Ac 蒸發(fā)端和冷凝端的表面積，m2； e

8、、 c 蒸發(fā)端和冷凝端的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)，W/(m2K)； w、 、 l 固體壁面、吸液芯、工質(zhì)的導(dǎo)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(dǎo)熱系數(shù)， W/(mK)； 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)， RgR/M; R 摩爾氣體常數(shù)，R8.3103 J/(molK)； M 蒸氣的摩爾質(zhì)量，100時(shí)水蒸氣的M18kg/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(shí)，最易出現(xiàn)粘性極限及聲

9、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(diǎn)必須選擇在包絡(luò)線的下方。,什么叫連續(xù)流動(dòng)極限？ 對(duì)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(dòng)可能處于自由分子狀態(tài)或稀薄、真空狀態(tài)。這時(shí)，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(dòng)極限？ 在從冷凍狀態(tài)啟動(dòng)過(guò)程中，蒸發(fā)端來(lái)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(lái)的工作介質(zhì)，導(dǎo)致蒸發(fā)段干涸，熱管無(wú)法正常啟動(dòng)工作。,什么叫黏性極限？ 在蒸汽溫度低時(shí)，工作流體的蒸汽在熱管內(nèi)的流動(dòng)受粘性力支配，即熱管中蒸汽流動(dòng)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(zhǎng)度和蒸汽通道直徑

10、有關(guān)，而與吸液芯的幾何形狀和結(jié)構(gòu)形式無(wú)關(guān)。,什么叫聲速極限？ 熱管中的蒸汽流動(dòng)類似于拉伐爾噴管中的氣體流動(dòng)。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(shí)，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(guò)聲速，因而傳熱量也不再增加，這時(shí)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(guò)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(shí)，將會(huì)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(shí)，對(duì)于吸液芯

11、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(dòng)方向相反，在交界面上二者相互作用，阻止對(duì)方流動(dòng)。液體表面由于受逆向蒸汽流的作用產(chǎn)生波動(dòng)，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(shí)，液體被大量攜帶走，使應(yīng)當(dāng)通過(guò)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(yùn)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(shí)，該熱管的傳熱量也就達(dá)到了最大值。如果這時(shí)加大蒸發(fā)量和冷凝量，則會(huì)因毛細(xì)壓

12、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(huì)發(fā)生蒸發(fā)段吸液芯的干涸和過(guò)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(jì), 設(shè)計(jì)技術(shù)要求；, 工質(zhì)選擇；, 吸液芯選擇；, 管殼設(shè)計(jì)；, 傳熱量校核。,一、設(shè)計(jì)技術(shù)要求, 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

13、的工作溫度范圍一般為50200。個(gè)別器件，如調(diào)速管的集電極許用溫度可達(dá)270。, 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）。, 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(lái)設(shè)計(jì)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(shè)備的工作環(huán)境條件（地面、海上或航空等）來(lái)估計(jì)重力場(chǎng)對(duì)熱管工作的影響，同時(shí)確定冷凝端與冷卻介質(zhì)的連接方式。, 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, 工質(zhì)與管殼材料及吸液芯應(yīng)相容，對(duì)熱管的安全工作和可靠性不產(chǎn)生有害的影響。, 工質(zhì)的工作溫度范

14、圍可選在工質(zhì)的凝固點(diǎn)與臨界溫度之間，一般以接近工質(zhì)的沸點(diǎn)為宜。, 工質(zhì)的品質(zhì)因素高。, 重力場(chǎng)條件下的熱管，工質(zhì)的選用應(yīng)計(jì)及毛細(xì)力的提升高度。, 選用的工質(zhì)無(wú)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： 提供足夠的毛細(xì)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(xì)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(jiǎn)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

15、特性,6 吸液芯的傳熱系數(shù),四、管殼設(shè)計(jì), 材料的選用；, 結(jié)構(gòu)形式及幾何形狀的確定；, 管殼強(qiáng)度的校核。,1 材料, 與工質(zhì)相容（參考表9-8選?。?；, 濕潤(rùn)性良好；, 導(dǎo)熱系數(shù)高；, 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(wú)氧銅、鋁合金、不銹鋼等。,管徑設(shè)計(jì),管徑設(shè)計(jì)的一個(gè)基本原則就是管內(nèi)的蒸汽速度不超過(guò)一定的極限值，這個(gè)極限值就是在蒸汽通道中最大馬赫數(shù)不能超過(guò)0.2，這時(shí)蒸汽流動(dòng)可以被認(rèn)為是不可壓縮的流體流動(dòng)，軸向溫度梯度很小，可以忽略不計(jì)。,管殼設(shè)計(jì),熱管部工作時(shí)，一般處于負(fù)壓狀態(tài)（低溫?zé)峁艹猓?，外界壓力一般為大氣壓力，故可以不考慮管殼失穩(wěn)的問(wèn)題，因而管殼的設(shè)計(jì)主要從強(qiáng)度考慮。管殼壁厚由強(qiáng)度計(jì)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(jì)較容易的設(shè)計(jì)。,吸液芯設(shè)計(jì),設(shè)計(jì)吸液芯的依據(jù)是毛細(xì)極限的計(jì)算。,毛細(xì)極限的檢驗(yàn),驗(yàn)算 驗(yàn)算攜帶極限、沸騰極限，最后核算Re數(shù)，驗(yàn)算是否為層流流動(dòng)。,2管殼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),2 管殼結(jié)構(gòu), 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(diào)速管熱管散熱器。, 扁平熱管, 柔性熱管,小功