11.热管Heat Pipes
热管
热管是一种把热量被动的从一个地方传到另一个地方的设备
热管的工作原理是基于工作流体的沸腾和压缩
–流体在管的一端(称为evaporator)蒸发,在另一端(称为condenser)压缩
Evaporator部分连接热源,condenser部分一般连接散热器
蒸汽依靠两个部分存在的压强差从evaporator端流动到condenser端
流体再由于毛细管作用通过wick从condenser端流回evaporator端
热管
热管的热导率远远高于固体材料
热管设计的主要考虑因素是材料的选择
–工作流体的温度范围和传热能力可以接受
–为了避免腐蚀,wick和管的材料必须和流体无相互作用
要从元件传导出去的热量不应该超过热管的能力
–这可能导致流体的蒸发速度大于回流的速度
–这可能导致wick干枯,进而导致传热能力的丧失
热管Vapor flowHeat additionHeat rejectionInsulationWick (liquid) flow
热管Heat Pipe Material-Fluid CompatibilityPipe MaterialFluid
热管工作流体常用具有高表面张力的液体,因为这样的液体具有很强的毛比细管抽吸作用能力和可湿性
对热管工作流体在热物理性质方面的要求包括:
–液体热导率高
–蒸发潜热高
–液体粘性小
–蒸汽粘性小
常用的热管工作流体有:
–甲醇
–水
–钾
热管可以设计在大的温度范围内工作:
–低温(< -243 C), 钛合金/氮热管
–高温(> 2000 C), 钨/银热管
–电子散热(< 125 C), 铜/水热管
–低于0 C 的冷却问题,铜/甲醇热管
Wick可以是均匀类型的或复合类型的
–均匀类型的wicks由一种材料构成
–复合类型的wicks由两种或多种材料构成
常用的均匀类型的wick 是axial groves, wrapped screen, cables/fibers和sintered powder metal:
–Grooved wick具有大小孔半径,高渗透性,但是抽吸头低(pumping head)
–金属粉末型wicks具有have small pore radii and relatively low permeability, but can transfer large heat loads against
gravity
热管相对于其它类型散热器的优点:
–Heat is transferred isothermally over relatively short distances
–Weight is usually lower
–Thermal response time is fast
–Maintenance is low
热管建模
可以使用有效热导率方法对热管建模
在这种方法中,热管作为一个高轴向热导率的固体棒建模
一般有效轴热导率的范围在2e+4--5e+4 W/mK
轴热导率必须足够大才能和热管真正的轴向热流匹配
非轴向的热导率可以和热管材料的热导率相同
有效轴向热导率可以近似为:
Keff= L/(AR)
L = 热管长度
A = 热管总截面面积
R = 热管的总热阻
= 在0.1-0.2 C/W量级
热管建模K~20,000 W/mKK~200 W/mkInsulation (non-conducting plates)
有效热导率方法Non-isotropic material
热管建模热阻的影响
热管的有效热阻为单位功率热管的温降:
Reff= ΔT/P
有效热阻是以下几种热阻之和:
–壁面的传导热阻
–Wick的传导热阻
–Evaporation热阻
–蒸发流动阻尼
–Condensation热阻
–冷凝流动阻尼
热管建模热阻的影响
对于具有金属颗粒型wick的铜/水热管的相关热阻如下:
–0.2 C/W/cm2 蒸发和冷凝热阻
–0.02 C/W/cm2for the axial resistance
例如,一个铜/水热管给定:
–外直径= 1 cm
–内直径= 0.75 cm
–总长= 20 cm
–Evaporator长度= 3.5 cm
–Condenser长度= 3.5 cm
–功率耗散= 50 W
通过热管的总温降计算如下:
–通过evaporator壁面的热流= 4.5 W/cm2
–通过condenser壁面的热流= 4.5 W/cm2
–轴向热流= 113.2
–总温降= 4.5x0.2 + 113.2x0.02 + 4.5x0.2 = 4.1 C
热管建模流体特性Temp, CLatentHeat(kJ/kg)LiquidDensity(kg/m3)VaporDensity(kg/m3)Liquidthermalcond.(W/mC)LiquidViscosity
(cP)VaporViscosity(cP, x100)VaporPressure(bars)VaporSp.Heat(kJ/kgC)LiquidSurfaceTension(N/m X 100)-
甲醇热学特性
水热学特性 钾热学特性
Icepak资料下载: Icepak高级建模(456页).pdf
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