回路熱管的模擬及優(yōu)化設(shè)計(jì)

回路熱管的模擬及優(yōu)化設(shè)計(jì)第1頁(yè)/共37頁(yè)2023/3/2321.1研究背景電子產(chǎn)品小型化功率增大熱流密度增大計(jì)算機(jī)CPU散熱第2頁(yè)/共37頁(yè)2023/3/2331.2.1回路熱管簡(jiǎn)介回路熱管(LoopHeatPipe，LHP)是由俄羅斯科學(xué)家Yu.F.Maidanik教授所發(fā)明的一種傳熱裝置。回路熱管由蒸發(fā)器，蒸汽段，冷凝器，回流段，補(bǔ)償室五個(gè)部分組成。傳熱原理：工質(zhì)相變第3頁(yè)/共37頁(yè)2023/3/2341.2.2回路熱管的工作原理熱負(fù)荷→蒸發(fā)器→吸液芯液體蒸發(fā)→毛細(xì)力和表面張力→壓差→蒸汽流動(dòng)→冷凝器→放熱→液體流動(dòng)→回補(bǔ)償室第4頁(yè)/共37頁(yè)2023/3/2351.2.3回路熱管的優(yōu)點(diǎn)回路熱管利用毛細(xì)現(xiàn)象進(jìn)行傳熱，不需要外加動(dòng)力可以遠(yuǎn)距離傳熱，長(zhǎng)達(dá)數(shù)米以上汽液通道分離的設(shè)計(jì)，能承受比熱管更高的熱量其管路的形狀無(wú)絕對(duì)性，所以可依不同的情況進(jìn)行不同的設(shè)計(jì)，相當(dāng)具有彈性第5頁(yè)/共37頁(yè)2023/3/2361.2.4回路熱管的應(yīng)用及發(fā)展趨勢(shì)航天航空：技術(shù)非常成熟發(fā)展方向：低溫化、多蒸發(fā)器、小型化、可展開(kāi)式民用電子散熱：正在研究發(fā)展方向：小型化(如用在電腦CPU冷卻)、廉價(jià)化(如水為工質(zhì))第6頁(yè)/共37頁(yè)2023/3/2371.3SINDA/FLUINT簡(jiǎn)介SINDA/FLUINT是一個(gè)應(yīng)用于復(fù)雜系統(tǒng)熱設(shè)計(jì)分析和流體流動(dòng)分析的綜合性軟件。能夠模擬電子、汽車、石油化工、航空航天等領(lǐng)域內(nèi)存在的復(fù)雜熱/流體系。為NASA(美國(guó)航天航空局)唯一指定熱和液體流動(dòng)分析的軟件第7頁(yè)/共37頁(yè)2023/3/2381.4研究目的對(duì)回路熱管進(jìn)行小型化設(shè)計(jì)，使其最終可以用于電子散熱討論回路熱管傳熱性能的評(píng)價(jià)指標(biāo)用SINDA/FLUINT對(duì)初始設(shè)計(jì)的回路熱管進(jìn)行模擬討論回路熱管的各種參數(shù)對(duì)其傳熱性能的影響優(yōu)化性能第8頁(yè)/共37頁(yè)2023/3/2392.1回路熱管的評(píng)價(jià)指標(biāo)最低啟動(dòng)功率最高運(yùn)行功率穩(wěn)定操作溫度回路的熱阻模型第9頁(yè)/共37頁(yè)2023/3/23102.2最低啟動(dòng)功率回路熱管正常工作時(shí)所需加在蒸發(fā)端的最小功率(熱量)工質(zhì)的特性對(duì)啟動(dòng)有著顯著的影響。在本文中，由于從經(jīng)濟(jì)的角度出發(fā)，直接選用水作為工質(zhì)，從而不再討論不同工質(zhì)的影響。另外，由于本文認(rèn)為所研制的回路熱管的工作時(shí)的功率都比較高，故不再考慮啟動(dòng)極限的具體數(shù)值。返回第10頁(yè)/共37頁(yè)2023/3/23112.3最高運(yùn)行功率回路熱管將被燒毀時(shí)的最高運(yùn)行功率太空的回路熱管評(píng)價(jià)用得比較多，但本文不刻意去討論最高運(yùn)行功率。太空最主要考慮的是將熱量導(dǎo)走本文要求電子芯片有一個(gè)正常工作的溫度范圍。而芯片燒毀時(shí)回路熱管可能還遠(yuǎn)遠(yuǎn)到達(dá)不了燒毀。返回第11頁(yè)/共37頁(yè)2023/3/23122.4穩(wěn)定操作溫度蒸發(fā)器壁在某一特定功率下穩(wěn)定操作時(shí)的溫度穩(wěn)定的操作溫度需要指明所負(fù)荷的功率。一般文獻(xiàn)上不對(duì)此作過(guò)多的討論，但本文認(rèn)為這是評(píng)價(jià)用來(lái)電子芯片散熱的回路的最重要的參數(shù)。本文的優(yōu)化設(shè)計(jì)將以此為準(zhǔn)則。返回第12頁(yè)/共37頁(yè)2023/3/23132.5回路的熱阻熱阻的大小表征了在熱源與冷源相差相同下，不同熱管的傳熱性能。式中：R為熱阻，TE為蒸發(fā)器的溫度，為冷凝段的平均溫度，Q為回路的傳熱量本文在以穩(wěn)定操作溫度為主要評(píng)價(jià)指標(biāo)基礎(chǔ)上，將會(huì)進(jìn)一步考察回路的熱阻。返回第13頁(yè)/共37頁(yè)2023/3/23143.1模型介紹----總體流體模型第14頁(yè)/共37頁(yè)2023/3/23153.2模型介紹----總體熱模型第15頁(yè)/共37頁(yè)2023/3/23163.3模型介紹---蒸汽段的流體模型

第16頁(yè)/共37頁(yè)2023/3/23173.4模型介紹----回流段的流體模型

第17頁(yè)/共37頁(yè)2023/3/23183.5模型介紹----冷凝段的流體模型

第18頁(yè)/共37頁(yè)2023/3/23192.6模型介紹----散熱板的熱模型第19頁(yè)/共37頁(yè)2023/3/23203結(jié)果分析溫度隨功率的變化回路的熱阻冷凝段的換熱優(yōu)化第20頁(yè)/共37頁(yè)2023/3/23213.1結(jié)果分析—--溫度隨功率的變化返回隨負(fù)荷端的功率上升，蒸發(fā)器的壁溫和負(fù)荷端的溫度幾乎線性上升。在200W時(shí)，蒸發(fā)器壁的溫度為75.6℃，負(fù)荷端的溫度為81.3℃

回路熱管在熱量傳遞方面有著優(yōu)異的性能第21頁(yè)/共37頁(yè)2023/3/23223.2結(jié)果分析—--回路的熱阻熱阻的計(jì)算方法：式中：R為熱阻，TE為蒸發(fā)器的溫度為冷凝段的平均溫度Q為回路的傳熱量。返回隨著功率的增大，回路的熱阻逐漸減小，并且趨向平緩。200W時(shí)的熱阻約為0.1K/W一般的電子散熱裝置的熱阻只能達(dá)到0.5K/W左右回路熱管在傳熱方面性能優(yōu)異第22頁(yè)/共37頁(yè)2023/3/23233.3結(jié)果分析—--冷凝段的換熱返回蒸汽點(diǎn)的溫度幾乎不下降，但傳熱系數(shù)大，相變傳熱液體點(diǎn)的溫度下降較大，但傳熱系數(shù)小，對(duì)流傳熱證明回路熱管主要利用相變進(jìn)行熱量傳遞按蒸汽流動(dòng)方向?qū)⒗淠畏殖墒€(gè)節(jié)點(diǎn)，依次命名為1,2，……，12第23頁(yè)/共37頁(yè)2023/3/23244.優(yōu)化設(shè)計(jì)目標(biāo)：尺寸方面盡量小，最大功率達(dá)到200W以上，蒸發(fā)器的壁溫不超過(guò)85℃，在150W以下時(shí)傳熱性能最佳依據(jù)：同等功率下，蒸發(fā)器的壁溫越低，性能越佳蒸發(fā)器(圓柱形)：直徑、長(zhǎng)度管路：蒸汽段(回流段)長(zhǎng)度、冷凝段長(zhǎng)度、管徑結(jié)果返回第24頁(yè)/共37頁(yè)2023/3/23254.1.1優(yōu)化設(shè)計(jì)----蒸發(fā)器的直徑返回原因：熱流密度下降(導(dǎo)致溫度下降)，熱泄漏增大(導(dǎo)致溫度上升)，共同作用的結(jié)果蒸發(fā)器的溫度隨著蒸發(fā)器直徑的增大先較快地減小，然后較為平緩地有所增大第25頁(yè)/共37頁(yè)2023/3/23264.1.2優(yōu)化設(shè)計(jì)----蒸發(fā)器的長(zhǎng)度返回原因：熱流密度減小，(導(dǎo)致溫度下降)，槽道阻力上升，(導(dǎo)致溫度上升)，共同作用的結(jié)果隨著蒸發(fā)器的長(zhǎng)度在增大，蒸發(fā)的溫度先迅速下降后平緩上升第26頁(yè)/共37頁(yè)2023/3/23274.2.1優(yōu)化設(shè)計(jì)----蒸汽段(回流段)長(zhǎng)度返回長(zhǎng)度增大，蒸發(fā)器的壁溫會(huì)在緩慢上升原因：增大了流動(dòng)阻力第27頁(yè)/共37頁(yè)2023/3/23284.2.2優(yōu)化設(shè)計(jì)----冷凝段長(zhǎng)度返回原因：增大了冷凝面積，使回流的工質(zhì)有更高過(guò)冷度，可以降低補(bǔ)償室乃至蒸發(fā)器的溫度隨著冷凝段長(zhǎng)度的增大，蒸發(fā)器壁溫一直在下降。下降的趨勢(shì)先快后慢，最后趨于平緩第28頁(yè)/共37頁(yè)2023/3/23294.2.3優(yōu)化設(shè)計(jì)----管徑返回原因：1、減小了流動(dòng)阻力2、增大了冷凝面積，使回流的工質(zhì)有更高過(guò)冷度，可以降低補(bǔ)償室乃至蒸發(fā)器的溫度隨著管徑的增大，負(fù)荷端的溫度在下降

第29頁(yè)/共37頁(yè)2023/3/23304.3優(yōu)化設(shè)計(jì)----結(jié)果(一)初始模型優(yōu)化后模型蒸發(fā)器長(zhǎng)度/mm2025蒸發(fā)器直徑/mm2015管徑/mm3.03.5蒸汽段(回流段)長(zhǎng)度/cm2520第30頁(yè)/共37頁(yè)2023/3/23314.3優(yōu)化設(shè)計(jì)----結(jié)果(二)第31頁(yè)/共37頁(yè)2023/3/23324.3優(yōu)化設(shè)計(jì)----結(jié)果(三)第32頁(yè)/共37頁(yè)2023/3/23335.1結(jié)論優(yōu)化后，蒸發(fā)器體積減少30%10W啟動(dòng)時(shí)的熱阻下降了63%200W運(yùn)行時(shí)的熱阻下降了25%10W啟動(dòng)時(shí)蒸發(fā)器的溫度下降了15℃200W運(yùn)行時(shí)蒸發(fā)器的溫度下降了5℃設(shè)計(jì)滿足要求第33頁(yè)/共37頁(yè)2023/3/23345.2成果從理論上討論出回路熱管的各種參數(shù)對(duì)其性能的影響，得出一個(gè)性能優(yōu)異的回路熱管模型實(shí)用新型：一種回路熱管的蒸發(fā)器和補(bǔ)償室結(jié)構(gòu)及其布置方式(申請(qǐng)中)實(shí)用新型：回路熱管中一種吸液芯的槽道結(jié)構(gòu)(申請(qǐng)中)專利：一種新型高效平板式回路熱管(撰寫(xiě)中)

第34頁(yè)/共37頁(yè)2023/3/23355.3創(chuàng)新點(diǎn)將回路熱管的應(yīng)用由航天向民用發(fā)展進(jìn)行小型化和廉價(jià)化設(shè)計(jì)