熱管散熱技術(shù)原理.doc

熱管散熱技術(shù)原理熱管散熱的技術(shù)與原理；1引言；傳統(tǒng)散熱方式主要是空氣冷卻、強制風(fēng)冷散熱以及水冷；(1)空氣冷卻；也稱自然冷卻，一般是將電子元器件的發(fā)熱核心部位與；(2)風(fēng)冷散熱；這是目前最普遍的散熱方式，一般是將電力電子元器件；優(yōu)點：結(jié)構(gòu)簡單，價格低廉，安全可靠，技術(shù)成熟；缺點：降溫的效果有限，不能達到令人滿意的程度，并；(3)水冷散熱；其原理是利用水泵驅(qū)動水流經(jīng)過熱源，進熱管散熱的技術(shù)與原理1 引言傳統(tǒng)散熱方式主要是空氣冷卻、強制風(fēng)冷散熱以及水冷散熱。(1) 空氣冷卻也稱自然冷卻，一般是將電子元器件的發(fā)熱核心部位與型材散熱器相接觸，通過空氣的自然對流方式將熱傳導(dǎo)出來。其優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單、安裝方便、成本低廉。缺點是散熱功率低。(2)風(fēng)冷散熱這是目前最普遍的散熱方式，一般是將電力電子元器件的發(fā)熱核心部位與散熱器相接觸將熱傳導(dǎo)出來，然后再通過風(fēng)扇轉(zhuǎn)動，來加強空氣的流動，通過強制對流的方式將散熱片上的熱傳至周圍的環(huán)境。優(yōu)點：結(jié)構(gòu)簡單，價格低廉，安全可靠，技術(shù)成熟。缺點：降溫的效果有限，不能達到令人滿意的程度，并且具有噪音，風(fēng)扇的使用壽命也有限制。(3) 水冷散熱其原理是利用水泵驅(qū)動水流經(jīng)過熱源，進行吸熱傳遞。優(yōu)點：水冷散熱效率高，熱傳導(dǎo)率為傳統(tǒng)風(fēng)冷方式的20倍以上，可以解決幾百至數(shù)千瓦的散熱問題，是風(fēng)冷效果所不能比擬的。因為即使是散熱效率最高的渦輪風(fēng)扇風(fēng)冷散熱，其溫度比水冷散熱也要高大約10；相比于風(fēng)冷散熱，水冷散熱因為沒有風(fēng)扇，所以不會產(chǎn)生振動現(xiàn)象，也無風(fēng)冷散熱的高噪音。金旗艦銅制散熱器60/70缺點：需要良好的通風(fēng)環(huán)境，并且體積大，安裝和維護不方便，容易滴漏、安全性不高，價格一般也相對較高。(4) 熱管散熱熱管是一種具有極高導(dǎo)熱性能的新型傳熱元件，它通過在全封閉真空管內(nèi)的液體的蒸發(fā)與凝結(jié)來傳遞熱量，它利用毛吸作用等流體原理，起到良好的制冷效果。具有極高的導(dǎo)熱性、良好的等溫性、冷熱兩側(cè)的傳熱面積可任意改變、可遠距離傳熱、溫度可控制等特點。將熱管散熱器的基板與晶閘管、igbt、igct等大功率電力電子器件的管芯緊密接觸，可直接將管芯的熱量快速導(dǎo)出。 通過對上述幾種散熱方式的分析，我們不難看出，熱管散熱相對于其他幾種傳統(tǒng)散熱方式存在以下的優(yōu)勢： 熱管散熱技術(shù)具有散熱效果好，熱阻相對小，使用壽命長，傳熱快的優(yōu)點。熱管的熱導(dǎo)系數(shù)是普通金屬的100倍以上； 傳熱方向可逆，不管任何一端都能成為蒸發(fā)端和冷凝端； 優(yōu)良的熱響應(yīng)性。熱管內(nèi)汽化的蒸汽能以接近音速的速度傳輸，從而有效的提高了導(dǎo)熱效果； 結(jié)構(gòu)簡單緊湊，重量輕，體積小，維護方便； 無功耗、無噪音、符合工業(yè)“綠色”的要求； 可以在無重力場的環(huán)境下使用。綜上所述：熱管傳熱利用熱傳導(dǎo)原理與致冷介質(zhì)的快速熱傳遞性質(zhì)，通過熱管將發(fā)熱物體的熱量迅速傳遞到熱源以外。采用熱管技術(shù)使得散熱器即便采用低轉(zhuǎn)速、低風(fēng)量電機，甚至不需風(fēng)機，完全采用自冷方式，同樣可以得到滿意的散熱效果，使得困擾風(fēng)冷散熱的噪音問題以及大功率電力模塊散熱問題得到良好解決，隨著熱管加工工藝的不斷改善，其可靠性、安全性、耐用性將會更加提高，而成本和價格也會進一步降低。熱管散熱器將有著傳統(tǒng)散熱器所無法比擬的優(yōu)勢，它的出現(xiàn)開辟了散熱行業(yè)的新天地。2 熱管的基本工作原理2.1 工作原理物體的吸熱、放熱是相對的，凡是有溫度差存在的時候，就必然出現(xiàn)熱從高溫處向低溫處傳遞的現(xiàn)象。熱傳遞有三種方式：輻射、對流、傳導(dǎo)，其中熱傳導(dǎo)最快。熱管就是利用蒸發(fā)制冷，使得熱管兩端溫度差很大，使熱量快速傳導(dǎo)。一般熱管由管殼、吸液芯和端蓋組成。熱管內(nèi)部被抽成負壓狀態(tài)，充入適當?shù)囊后w（即工質(zhì)），這種液體沸點低，容易揮發(fā)。管壁有吸液芯，其由毛細多孔材料構(gòu)成。熱管一端為蒸發(fā)段（簡稱熱端），另外一端為冷凝段（簡稱冷端），當熱管蒸發(fā)段受熱時，毛細管中的液體迅速蒸發(fā)，蒸氣在微小的壓力差下流向另外一端，并且釋放出熱量，重新凝結(jié)成液體，液體再沿多孔材料靠毛細力的作用流回蒸發(fā)段，如此循環(huán)不止，熱量由熱管一端傳至另外一端。這種循環(huán)是快速進行的，熱量可以被源源不斷地傳導(dǎo)開來。2.2 組成與工作過程典型的熱管由管殼、吸液芯和端蓋組成，將管內(nèi)抽成1.3(10-110-4)pa的負壓后充以適量的工作液體（即工質(zhì)），使緊貼管內(nèi)壁毛細多孔材料中的吸液芯充滿液體后加以密封。管的一端為蒸發(fā)段(加熱段)，另一端為冷凝段(冷卻段)，根據(jù)應(yīng)用需要在兩段中間可布置絕熱段。當熱管的一端受熱時毛細芯中的液體蒸發(fā)汽化，蒸汽在微小的壓差下流向另一端，放出熱量凝結(jié)成液體，液體再沿多孔材料靠毛細力的作用流回蒸發(fā)段。如此循環(huán)不己，熱量由熱管的一端傳至另端。熱管在實現(xiàn)這一熱量轉(zhuǎn)移的過程中，包含了以下六個相互關(guān)聯(lián)的主要過程：(1)熱量從熱源通過熱管管壁和充滿工作液體的吸液芯傳遞到（液汽）分界面；(2)液體在蒸發(fā)段內(nèi)的（液汽）分界面上蒸發(fā)；(3)蒸汽腔內(nèi)的蒸汽從蒸發(fā)段流到冷凝段；(4)蒸汽在冷凝段內(nèi)的（汽液）分界面上凝結(jié)；(5)熱量從（汽液）分界面通過吸液芯、液體和管壁傳給冷源；(6)在吸液芯內(nèi)由于毛細作用使冷凝后的工作液體回流到蒸發(fā)段。2.3 工作條件圖1表示了熱管管內(nèi)汽-液交界面形狀，蒸氣質(zhì)量、流量、壓力以及管壁溫度tw和管內(nèi)蒸氣溫度tv沿管長的變化趨勢。沿整個熱管長度，汽-液交界處的汽相與液相之間的靜壓差都與該處的局部毛細壓差相平衡。圖1 熱管管內(nèi)汽-液交界面質(zhì)量流、壓力和溫度沿管長的變化示意圖熱管正常工作的必要條件是：pc pl +pv +pg其中pc：毛細壓頭是熱管內(nèi)部工作液體循環(huán)的推動力，用來克服蒸汽從蒸發(fā)段流向冷凝段的壓力降pv，冷凝液體從冷凝段流回蒸發(fā)段的壓力降pl，和重力場對液體流動的壓力降pg（pg可以是正值，是負值或為零，視熱管在重力場中的位置而定）。3 熱管的基本特性熱管是依靠自身內(nèi)部工作液體相變來實現(xiàn)傳熱的傳熱元件，具有以下基本特性。3.1 很高的導(dǎo)熱性熱管內(nèi)部主要靠工作液體的汽、液相變傳熱，熱阻很小，因此具有很高的導(dǎo)熱能力。與銀、銅、鋁等金屬相比，單位重量的熱管可多傳遞幾個數(shù)量級的熱量。當然，高導(dǎo)熱性也是相對而言的，溫差總是存在的，可能違反熱力學(xué)第二定律，并且熱管的傳熱能力受到各種因素的限制，存在著一些傳熱極限；熱管的軸向?qū)嵝院軓姡瑥较虿o太大的改善(徑向熱管除外)。3.2優(yōu)良的等溫性熱管內(nèi)腔的蒸汽處于飽和狀態(tài)，飽和蒸汽的壓力決定于飽和溫度，飽和蒸汽從蒸發(fā)段流向冷凝段所產(chǎn)生的壓降很小，根據(jù)熱力學(xué)中的方程式可知，溫降亦很小，因而熱管具有優(yōu)良的等溫性。3.3 熱流密度可變性熱管可以獨立改變蒸發(fā)段或冷卻段的加熱面積，即以較小的加熱面積輸入熱量，而以較大的冷卻面積輸出熱量，或者熱管可以較大的傳熱面積輸入熱量，而以較小的冷卻面積輸出熱量，這樣即可以改變熱流密度，解決一些其他方法難以解決的傳熱難題。3.4 熱流方向可逆性一根水平放置的有芯熱管，由于其內(nèi)部循環(huán)動力是毛細力，因此任意一端受熱就可作為蒸發(fā)段，而另一端向外散熱就成為冷凝段。此特點可用于宇宙飛船和人造衛(wèi)星在空間的溫度展平，也可用于先放熱后吸熱的化學(xué)反應(yīng)容器及其他裝置；3.5熱二極管與熱開關(guān)性能；熱管可做成熱二極管或熱開關(guān)，所謂熱二極管就是只允；3.6恒溫特性(可控?zé)峁?；普通熱管的各部分熱阻基本上不隨加熱量的變化而變，；3.7環(huán)境的適應(yīng)性；熱管的形狀可隨熱源和冷源的條件而變化，熱管可做成；4熱管的分類；由于熱管的用途、種類和型式較多，再加上熱管在結(jié)構(gòu)；(1)按照熱管管內(nèi)工作溫度可分于先放熱后吸熱的化學(xué)反應(yīng)容器及其他裝置。3.5 熱二極管與熱開關(guān)性能熱管可做成熱二極管或熱開關(guān)，所謂熱二極管就是只允許熱流向一個方向流動，而不允許向相反的方向流動；熱開關(guān)則是當熱源溫度高于某一溫度時，熱管開始工作，當熱源溫度低于這一溫度時，熱管就不傳熱。3.6 恒溫特性(可控?zé)峁?普通熱管的各部分熱阻基本上不隨加熱量的變化而變，因此當加熱量變化時，熱管各部分的溫度亦隨之變化。近年來出現(xiàn)了另一種新型熱管可變導(dǎo)熱管，使得冷凝段的熱阻隨加熱量的增加而降低、隨加熱量的減少而增加，這樣可使熱管在加熱量大幅度變化的情況下，蒸汽溫度變化極小，實現(xiàn)溫度的控制，這就是熱管的恒溫特性。3.7 環(huán)境的適應(yīng)性熱管的形狀可隨熱源和冷源的條件而變化，熱管可做成電機的轉(zhuǎn)軸、燃氣輪機的葉片、鉆頭、手術(shù)刀等等，熱管也可做成分離式的，以適應(yīng)長距離或沖熱流體不能混合的情況下的換熱；熱管既可以用于地面(重力場)，也可用于空間(無重力場)。4 熱管的分類由于熱管的用途、種類和型式較多，再加上熱管在結(jié)構(gòu)、材質(zhì)和工作液體等方面各有不同之處，故而對熱管的分類也很多，常用的分類方法有以下幾種。(1)按照熱管管內(nèi)工作溫度可分為：低溫?zé)峁?-2730)、常溫?zé)峁?0250)、中溫?zé)峁?250450)、高溫?zé)峁?4501000)等。(2)按照工作液體回流動力可分為：有芯熱管、兩相閉式熱虹吸管(又稱重力熱管)、重力輔助熱管、旋轉(zhuǎn)熱管、電流體動力