11.熱管Heat Pipes
熱管
熱管是一種把熱量被動(dòng)的從一個(gè)地方傳到另一個(gè)地方的設(shè)備
熱管的工作原理是基于工作流體的沸騰和壓縮
–流體在管的一端(稱為evaporator)蒸發(fā),在另一端(稱為condenser)壓縮
Evaporator部分連接熱源,condenser部分一般連接散熱器
蒸汽依靠兩個(gè)部分存在的壓強(qiáng)差從evaporator端流動(dòng)到condenser端
流體再由于毛細(xì)管作用通過wick從condenser端流回evaporator端
熱管
熱管的熱導(dǎo)率遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于固體材料
熱管設(shè)計(jì)的主要考慮因素是材料的選擇
–工作流體的溫度范圍和傳熱能力可以接受
–為了避免腐蝕,wick和管的材料必須和流體無相互作用
要從元件傳導(dǎo)出去的熱量不應(yīng)該超過熱管的能力
–這可能導(dǎo)致流體的蒸發(fā)速度大于回流的速度
–這可能導(dǎo)致wick干枯,進(jìn)而導(dǎo)致傳熱能力的喪失
熱管Vapor flowHeat additionHeat rejectionInsulationWick (liquid) flow
熱管Heat Pipe Material-Fluid CompatibilityPipe MaterialFluid
熱管工作流體常用具有高表面張力的液體,因?yàn)檫@樣的液體具有很強(qiáng)的毛比細(xì)管抽吸作用能力和可濕性
對熱管工作流體在熱物理性質(zhì)方面的要求包括:
–液體熱導(dǎo)率高
–蒸發(fā)潛熱高
–液體粘性小
–蒸汽粘性小
常用的熱管工作流體有:
–甲醇
–水
–鉀
熱管可以設(shè)計(jì)在大的溫度范圍內(nèi)工作:
–低溫(< -243 C), 鈦合金/氮熱管
–高溫(> 2000 C), 鎢/銀熱管
–電子散熱(< 125 C), 銅/水熱管
–低于0 C 的冷卻問題,銅/甲醇熱管
Wick可以是均勻類型的或復(fù)合類型的
–均勻類型的wicks由一種材料構(gòu)成
–復(fù)合類型的wicks由兩種或多種材料構(gòu)成
常用的均勻類型的wick 是axial groves, wrapped screen, cables/fibers和sintered powder metal:
–Grooved wick具有大小孔半徑,高滲透性,但是抽吸頭低(pumping head)
–金屬粉末型wicks具有have small pore radii and relatively low permeability, but can transfer large heat loads against
gravity
熱管相對于其它類型散熱器的優(yōu)點(diǎn):
–Heat is transferred isothermally over relatively short distances
–Weight is usually lower
–Thermal response time is fast
–Maintenance is low
熱管建模
可以使用有效熱導(dǎo)率方法對熱管建模
在這種方法中,熱管作為一個(gè)高軸向熱導(dǎo)率的固體棒建模
一般有效軸熱導(dǎo)率的范圍在2e+4--5e+4 W/mK
軸熱導(dǎo)率必須足夠大才能和熱管真正的軸向熱流匹配
非軸向的熱導(dǎo)率可以和熱管材料的熱導(dǎo)率相同
有效軸向熱導(dǎo)率可以近似為:
Keff= L/(AR)
L = 熱管長度
A = 熱管總截面面積
R = 熱管的總熱阻
= 在0.1-0.2 C/W量級
熱管建模K~20,000 W/mKK~200 W/mkInsulation (non-conducting plates)
有效熱導(dǎo)率方法Non-isotropic material
熱管建模熱阻的影響
熱管的有效熱阻為單位功率熱管的溫降:
Reff= ΔT/P
有效熱阻是以下幾種熱阻之和:
–壁面的傳導(dǎo)熱阻
–Wick的傳導(dǎo)熱阻
–Evaporation熱阻
–蒸發(fā)流動(dòng)阻尼
–Condensation熱阻
–冷凝流動(dòng)阻尼
熱管建模熱阻的影響
對于具有金屬顆粒型wick的銅/水熱管的相關(guān)熱阻如下:
–0.2 C/W/cm2 蒸發(fā)和冷凝熱阻
–0.02 C/W/cm2for the axial resistance
例如,一個(gè)銅/水熱管給定:
–外直徑= 1 cm
–內(nèi)直徑= 0.75 cm
–總長= 20 cm
–Evaporator長度= 3.5 cm
–Condenser長度= 3.5 cm
–功率耗散= 50 W
通過熱管的總溫降計(jì)算如下:
–通過evaporator壁面的熱流= 4.5 W/cm2
–通過condenser壁面的熱流= 4.5 W/cm2
–軸向熱流= 113.2
–總溫降= 4.5x0.2 + 113.2x0.02 + 4.5x0.2 = 4.1 C
熱管建模流體特性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)-
甲醇熱學(xué)特性
水熱學(xué)特性 鉀熱學(xué)特性
Icepak資料下載: Icepak高級建模(456頁).pdf
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