热管散热技术原理.doc

热管散热技术原理热管散热的技术与原理；1引言；传统散热方式主要是空气冷却、强制风冷散热以及水冷；(1)空气冷却；也称自然冷却，一般是将电子元器件的发热核心部位与；(2)风冷散热；这是目前最普遍的散热方式，一般是将电力电子元器件；优点：结构简单，价格低廉，安全可靠，技术成熟；缺点：降温的效果有限，不能达到令人满意的程度，并；(3)水冷散热；其原理是利用水泵驱动水流经过热源，进热管散热的技术与原理1 引言传统散热方式主要是空气冷却、强制风冷散热以及水冷散热。(1) 空气冷却也称自然冷却，一般是将电子元器件的发热核心部位与型材散热器相接触，通过空气的自然对流方式将热传导出来。其优点是结构简单、安装方便、成本低廉。缺点是散热功率低。(2)风冷散热这是目前最普遍的散热方式，一般是将电力电子元器件的发热核心部位与散热器相接触将热传导出来，然后再通过风扇转动，来加强空气的流动，通过强制对流的方式将散热片上的热传至周围的环境。优点：结构简单，价格低廉，安全可靠，技术成熟。缺点：降温的效果有限，不能达到令人满意的程度，并且具有噪音，风扇的使用寿命也有限制。(3) 水冷散热其原理是利用水泵驱动水流经过热源，进行吸热传递。优点：水冷散热效率高，热传导率为传统风冷方式的20倍以上，可以解决几百至数千瓦的散热问题，是风冷效果所不能比拟的。因为即使是散热效率最高的涡轮风扇风冷散热，其温度比水冷散热也要高大约10；相比于风冷散热，水冷散热因为没有风扇，所以不会产生振动现象，也无风冷散热的高噪音。金旗舰铜制散热器60/70缺点：需要良好的通风环境，并且体积大，安装和维护不方便，容易滴漏、安全性不高，价格一般也相对较高。(4) 热管散热热管是一种具有极高导热性能的新型传热元件，它通过在全封闭真空管内的液体的蒸发与凝结来传递热量，它利用毛吸作用等流体原理，起到良好的制冷效果。具有极高的导热性、良好的等温性、冷热两侧的传热面积可任意改变、可远距离传热、温度可控制等特点。将热管散热器的基板与晶闸管、igbt、igct等大功率电力电子器件的管芯紧密接触，可直接将管芯的热量快速导出。 通过对上述几种散热方式的分析，我们不难看出，热管散热相对于其他几种传统散热方式存在以下的优势： 热管散热技术具有散热效果好，热阻相对小，使用寿命长，传热快的优点。热管的热导系数是普通金属的100倍以上； 传热方向可逆，不管任何一端都能成为蒸发端和冷凝端； 优良的热响应性。热管内汽化的蒸汽能以接近音速的速度传输，从而有效的提高了导热效果； 结构简单紧凑，重量轻，体积小，维护方便； 无功耗、无噪音、符合工业“绿色”的要求； 可以在无重力场的环境下使用。综上所述：热管传热利用热传导原理与致冷介质的快速热传递性质，通过热管将发热物体的热量迅速传递到热源以外。采用热管技术使得散热器即便采用低转速、低风量电机，甚至不需风机，完全采用自冷方式，同样可以得到满意的散热效果，使得困扰风冷散热的噪音问题以及大功率电力模块散热问题得到良好解决，随着热管加工工艺的不断改善，其可靠性、安全性、耐用性将会更加提高，而成本和价格也会进一步降低。热管散热器将有着传统散热器所无法比拟的优势，它的出现开辟了散热行业的新天地。2 热管的基本工作原理2.1 工作原理物体的吸热、放热是相对的，凡是有温度差存在的时候，就必然出现热从高温处向低温处传递的现象。热传递有三种方式：辐射、对流、传导，其中热传导最快。热管就是利用蒸发制冷，使得热管两端温度差很大，使热量快速传导。一般热管由管壳、吸液芯和端盖组成。热管内部被抽成负压状态，充入适当的液体（即工质），这种液体沸点低，容易挥发。管壁有吸液芯，其由毛细多孔材料构成。热管一端为蒸发段（简称热端），另外一端为冷凝段（简称冷端），当热管蒸发段受热时，毛细管中的液体迅速蒸发，蒸气在微小的压力差下流向另外一端，并且释放出热量，重新凝结成液体，液体再沿多孔材料靠毛细力的作用流回蒸发段，如此循环不止，热量由热管一端传至另外一端。这种循环是快速进行的，热量可以被源源不断地传导开来。2.2 组成与工作过程典型的热管由管壳、吸液芯和端盖组成，将管内抽成1.3(10-110-4)pa的负压后充以适量的工作液体（即工质），使紧贴管内壁毛细多孔材料中的吸液芯充满液体后加以密封。管的一端为蒸发段(加热段)，另一端为冷凝段(冷却段)，根据应用需要在两段中间可布置绝热段。当热管的一端受热时毛细芯中的液体蒸发汽化，蒸汽在微小的压差下流向另一端，放出热量凝结成液体，液体再沿多孔材料靠毛细力的作用流回蒸发段。如此循环不己，热量由热管的一端传至另端。热管在实现这一热量转移的过程中，包含了以下六个相互关联的主要过程：(1)热量从热源通过热管管壁和充满工作液体的吸液芯传递到（液汽）分界面；(2)液体在蒸发段内的（液汽）分界面上蒸发；(3)蒸汽腔内的蒸汽从蒸发段流到冷凝段；(4)蒸汽在冷凝段内的（汽液）分界面上凝结；(5)热量从（汽液）分界面通过吸液芯、液体和管壁传给冷源；(6)在吸液芯内由于毛细作用使冷凝后的工作液体回流到蒸发段。2.3 工作条件图1表示了热管管内汽-液交界面形状，蒸气质量、流量、压力以及管壁温度tw和管内蒸气温度tv沿管长的变化趋势。沿整个热管长度，汽-液交界处的汽相与液相之间的静压差都与该处的局部毛细压差相平衡。图1 热管管内汽-液交界面质量流、压力和温度沿管长的变化示意图热管正常工作的必要条件是：pc pl +pv +pg其中pc：毛细压头是热管内部工作液体循环的推动力，用来克服蒸汽从蒸发段流向冷凝段的压力降pv，冷凝液体从冷凝段流回蒸发段的压力降pl，和重力场对液体流动的压力降pg（pg可以是正值，是负值或为零，视热管在重力场中的位置而定）。3 热管的基本特性热管是依靠自身内部工作液体相变来实现传热的传热元件，具有以下基本特性。3.1 很高的导热性热管内部主要靠工作液体的汽、液相变传热，热阻很小，因此具有很高的导热能力。与银、铜、铝等金属相比，单位重量的热管可多传递几个数量级的热量。当然，高导热性也是相对而言的，温差总是存在的，可能违反热力学第二定律，并且热管的传热能力受到各种因素的限制，存在着一些传热极限；热管的轴向导热性很强，径向并无太大的改善(径向热管除外)。3.2优良的等温性热管内腔的蒸汽处于饱和状态，饱和蒸汽的压力决定于饱和温度，饱和蒸汽从蒸发段流向冷凝段所产生的压降很小，根据热力学中的方程式可知，温降亦很小，因而热管具有优良的等温性。3.3 热流密度可变性热管可以独立改变蒸发段或冷却段的加热面积，即以较小的加热面积输入热量，而以较大的冷却面积输出热量，或者热管可以较大的传热面积输入热量，而以较小的冷却面积输出热量，这样即可以改变热流密度，解决一些其他方法难以解决的传热难题。3.4 热流方向可逆性一根水平放置的有芯热管，由于其内部循环动力是毛细力，因此任意一端受热就可作为蒸发段，而另一端向外散热就成为冷凝段。此特点可用于宇宙飞船和人造卫星在空间的温度展平，也可用于先放热后吸热的化学反应容器及其他装置；3.5热二极管与热开关性能；热管可做成热二极管或热开关，所谓热二极管就是只允；3.6恒温特性(可控热管)；普通热管的各部分热阻基本上不随加热量的变化而变，；3.7环境的适应性；热管的形状可随热源和冷源的条件而变化，热管可做成；4热管的分类；由于热管的用途、种类和型式较多，再加上热管在结构；(1)按照热管管内工作温度可分于先放热后吸热的化学反应容器及其他装置。3.5 热二极管与热开关性能热管可做成热二极管或热开关，所谓热二极管就是只允许热流向一个方向流动，而不允许向相反的方向流动；热开关则是当热源温度高于某一温度时，热管开始工作，当热源温度低于这一温度时，热管就不传热。3.6 恒温特性(可控热管)普通热管的各部分热阻基本上不随加热量的变化而变，因此当加热量变化时，热管各部分的温度亦随之变化。近年来出现了另一种新型热管可变导热管，使得冷凝段的热阻随加热量的增加而降低、随加热量的减少而增加，这样可使热管在加热量大幅度变化的情况下，蒸汽温度变化极小，实现温度的控制，这就是热管的恒温特性。3.7 环境的适应性热管的形状可随热源和冷源的条件而变化，热管可做成电机的转轴、燃气轮机的叶片、钻头、手术刀等等，热管也可做成分离式的，以适应长距离或冲热流体不能混合的情况下的换热；热管既可以用于地面(重力场)，也可用于空间(无重力场)。4 热管的分类由于热管的用途、种类和型式较多，再加上热管在结构、材质和工作液体等方面各有不同之处，故而对热管的分类也很多，常用的分类方法有以下几种。(1)按照热管管内工作温度可分为：低温热管(-2730)、常温热管(0250)、中温热管(250450)、高温热管(4501000)等。(2)按照工作液体回流动力可分为：有芯热管、两相闭式热虹吸管(又称重力热管)、重力辅助热管、旋转热管、电流体动力