回路热管的模拟及优化设计课件.ppt

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1、回路热管的模拟及优化设计答辩者：莫冬传项目编号：06指导老师：吕树申教授2021/8/711.1研究背景电子产品小型化功率增大热流密度增大计算机CPU散热2021/8/721.2.1回路热管简介回路热管(LoopHeatPipe，LHP)是由俄罗斯科学家Yu.F.Maidanik教授所发明的一种传热装置。回路热管由蒸发器，蒸汽段，冷凝器，回流段，补偿室五个部分组成。传热原理：工质相变2021/8/731.2.2回路热管的工作原理热负荷→蒸发器→吸液芯液体蒸发→毛细力和表面张力→压差→蒸汽流动→冷

2、凝器→放热→液体流动→回补偿室2021/8/741.2.3回路热管的优点回路热管利用毛细现象进行传热，不需要外加动力可以远距离传热，长达数米以上汽液通道分离的设计，能承受比热管更高的热量其管路的形状无绝对性，所以可依不同的情况进行不同的设计，相当具有弹性2021/8/751.2.4回路热管的应用及发展趋势航天航空：技术非常成熟发展方向：低温化、多蒸发器、小型化、可展开式民用电子散热：正在研究发展方向：小型化(如用在电脑CPU冷却)、廉价化(如水为工质)2021/8/761.3SINDA/FLUI

3、NT简介SINDA/FLUINT是一个应用于复杂系统热设计分析和流体流动分析的综合性软件。能够模拟电子、汽车、石油化工、航空航天等领域内存在的复杂热/流体系。为NASA(美国航天航空局)唯一指定热和液体流动分析的软件2021/8/771.4研究目的对回路热管进行小型化设计，使其最终可以用于电子散热讨论回路热管传热性能的评价指标用SINDA/FLUINT对初始设计的回路热管进行模拟讨论回路热管的各种参数对其传热性能的影响优化性能2021/8/782.1回路热管的评价指标最低启动功率最高运行功率稳定

4、操作温度回路的热阻模型2021/8/792.2最低启动功率回路热管正常工作时所需加在蒸发端的最小功率(热量)工质的特性对启动有着显著的影响。在本文中，由于从经济的角度出发，直接选用水作为工质，从而不再讨论不同工质的影响。另外，由于本文认为所研制的回路热管的工作时的功率都比较高，故不再考虑启动极限的具体数值。返回2021/8/7102.3最高运行功率回路热管将被烧毁时的最高运行功率太空的回路热管评价用得比较多，但本文不刻意去讨论最高运行功率。太空最主要考虑的是将热量导走本文要求电子芯片有一个正常工

5、作的温度范围。而芯片烧毁时回路热管可能还远远到达不了烧毁。返回2021/8/7112.4稳定操作温度蒸发器壁在某一特定功率下稳定操作时的温度稳定的操作温度需要指明所负荷的功率。一般文献上不对此作过多的讨论，但本文认为这是评价用来电子芯片散热的回路的最重要的参数。本文的优化设计将以此为准则。返回2021/8/7122.5回路的热阻热阻的大小表征了在热源与冷源相差相同下，不同热管的传热性能。式中：R为热阻，TE为蒸发器的温度，为冷凝段的平均温度，Q为回路的传热量本文在以稳定操作温度为主要评价指标基础

6、上，将会进一步考察回路的热阻。返回2021/8/7133.1模型介绍----总体流体模型2021/8/7143.2模型介绍----总体热模型2021/8/7153.3模型介绍---蒸汽段的流体模型2021/8/7163.4模型介绍----回流段的流体模型2021/8/7173.5模型介绍----冷凝段的流体模型2021/8/7182.6模型介绍----散热板的热模型2021/8/7193结果分析温度随功率的变化回路的热阻冷凝段的换热优化2021/8/7203.1结果分析—--温度随功率的变化返回

7、随负荷端的功率上升，蒸发器的壁温和负荷端的温度几乎线性上升。在200W时，蒸发器壁的温度为75.6℃，负荷端的温度为81.3℃回路热管在热量传递方面有着优异的性能2021/8/7213.2结果分析—--回路的热阻热阻的计算方法：式中：R为热阻，TE为蒸发器的温度为冷凝段的平均温度Q为回路的传热量。返回随着功率的增大，回路的热阻逐渐减小，并且趋向平缓。200W时的热阻约为0.1K/W一般的电子散热装置的热阻只能达到0.5K/W左右回路热管在传热方面性能优异2021/8/7223.3结果分析—--冷

8、凝段的换热返回蒸汽点的温度几乎不下降，但传热系数大，相变传热液体点的温度下降较大，但传热系数小，对流传热证明回路热管主要利用相变进行热量传递按蒸汽流动方向将冷凝段分成十二个节点，依次命名为1,2，……，122021/8/7234.优化设计目标：尺寸方面尽量小，最大功率达到200W以上，蒸发器的壁温不超过85℃，在150W以下时传热性能最佳依据：同等功率下，蒸发器的壁温越低，性能越佳蒸发器(圆柱形)：直径、长度管路：蒸汽段(回流段)长度、冷凝段长度、管径结果返回2021/8/7244.1.1优化设