换热器原理与设计 课件 第七章 电子设备散热新技术1

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1、电子设备散热新技术1热电半导体制冷器2热管散热器3焦汤制冷器第七章热管散热器7.1概述1965年Coffer发表了热管理论热管技术的特点⑴热管的传热能力高——利用工质的相变传热。⑵热管的均温特性好——管内蒸气处于饱和状态。⑶具有可变换热流密度的能力——实现“热变压器”。⑷具有良好的恒温特性——充有惰性气体的可控热管。(5)环境的适应性7.2热管的类型及其工作原理热管按其工作温度范围可分为：⑴深冷热管——工作温度范围为100～200K。工质可选用纯化学元素，如氦、氩、氮、氧等，或乙烷、氟利昂的化合物。⑵低温热管——工作温度范围为200～250K。工质可选用水、氟利昂、氨

2、、酒精、丙酮等有机物质。⑶中温热管——工作温度范围为550～750K。工质可选用导热姆A（联苯—苯醚共溶体）、水银、硫、铯等物质。⑷高温热管——工作温度范围大于750K。工质可选用钾、锂、铝、银等高熔点液态金属。一、普通热管普通热管由管壳、吸液芯和工质组成。热管中工质流动的阻力：⑴液体从冷凝端返回蒸发端所产生的阻力Δpl；⑵蒸气从蒸发端流向冷凝端所遇到的阻力Δpv；⑶热管倾斜放置时，重力对轴向压力的影响Δpg；热管正常工作必须满足的压力平衡式为：二.两相闭式热虹吸管两相闭式热虹吸管又称为重力热管。与普通热管原理一样，但不同的是热管内没有吸液芯，冷凝液的回流主要是靠自身

3、的重力作用，因此，热虹吸管的作用有一定的方向性：冷凝段位置必须高于蒸发段。其结构简单、制造方便、成本低廉、而且传热性能优良、工作可靠，因此在地面上的各类传热设备中都可以作为高效传热元件，其应用领域非常广泛。两相闭式热虹吸管三.旋转热管旋转热管的概念是由Gray于1969年首次提出的。旋转热管的显著特征是热管自身是旋转件，因而可以用于所有需要冷却散热的旋转零部件，如电机转子，发动机电动机转轴等的冷却，具有实际应用价值。四.分离式热管分离式热管结构示意图分离式热管的结构如左图所示，其蒸发段和冷凝段是分开的，通过蒸汽上升管和液体下降管连通形成一个自然循环回路。分离式热管的冷

4、凝段必须高于蒸发段，液体下降管与蒸汽上升管之间会形成一定的密度差，这个密度差所能提供的压头与冷凝段和蒸发段的高度差密切相关，它用以平衡蒸汽流动和液体流动的压力损失，维系着系统的正常运行而不再需要外加动力。分离式热管最大的特点是冷凝段和蒸发段可以较远距离安装，从而使得冷热流体完全隔离，避免了相互渗漏的问题，安全性能较经典热管大为提高。五、可变导热管改变热导的方式有：⑴控制返回蒸发端的冷凝液，使蒸发端局部干涸（相当于蒸发面积减少），热导降低；⑵改变蒸气流动的通道，使蒸气流的热阻增加（相当于热导降低）；⑶在冷凝端内充填惰性气体，如氮、氦、氩等。热管启动后，蒸气流将气体驱使至

5、冷凝端，从而相当于减少部分冷凝面积，使热导减少。图9-7a、b、c、d、e为充填有惰性气体的可控热管示意图。近年来还出现了一种平板式可变导热管，其表面积为1270mm×860mm，内部热负荷变化为2～3.6W/cm2，控温范围为20℃±5℃。六.微型热管及小型热管微型热管横截面示意图定义：微型热管被定义为液汽交界面的平均曲率在数量上和液体总流通截面水力半径的倒数相当的一种热管。典型的微型热管有凸面、锐角的截面(例如多边形)，水力半径范围为10～500μm。其典型横截面形状如上图所示。对于小型热管，其最小截面直径为1mm数量级。七、毛细泵回路热管作为高效的传热元件已广泛

6、应用于各个领域，然而在地面上，如果热管的蒸发段位于冷凝段之上，其传热能力就将受到限制，毛细泵回路可以解决这一问题，其基本工理与普通热管的基本原理相似，但其可处于任何位置长距离有效换热。其概念首先是由美国NASALewis研究中心的Stenger于1966年提出的，可有效地用于小温差、长距离、无附加动力的热量回收，也可用于航天器的热管理系统，并可能使大型航天器的热管理系统出现巨大的变革。毛细泵回路以其独特的工作方式工作，具有以下工作特点：(1)具有较高的传热能力(2)具有优良的控温特性(3)热分享特性(4)压力灌注特性(5)热二极管特性毛细泵回路的研究已经成为目前研究的

7、热点之一，它在空间站、现代通讯卫星、大功率宇宙飞船、电子元器件的冷却方面都有着广阔的应用前景。7.3普通热管的传热性能一、热管的传热过程R1——热源输入热管过程中所遇到的阻力（即热源与管壁外表面的传热热阻）。R2——热流通过热管管壁的阻力。R3——热流通过各种吸液芯以及壁和液体之间的阻力。R4——蒸气流逸液—汽交界面的阻力；R5——蒸气流在管内由蒸发端向冷凝端转移过程的阻力。R6——蒸气进入汽—液分界面的阻力。R7——冷凝液通过吸液芯的阻力。R8——冷凝液通过冷凝端管壁的阻力。R9——冷凝液与冷却介质（空气、水等）之间的传热阻力。R10——热管管壁