回路热管的模拟及优化设计

回路热管的模拟及优化设计第1页/共37页2023/3/2321.1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散热第2页/共37页2023/3/2331.2.1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：工质相变第3页/共37页2023/3/2341.2.2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→冷凝器→放热→液体流动→回补偿室第4页/共37页2023/3/2351.2.3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，相当具有弹性第5页/共37页2023/3/2361.2.4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)第6页/共37页2023/3/2371.3SINDA/FLUINT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第7页/共37页2023/3/2381.4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第8页/共37页2023/3/2392.1回路热管的评价指标最低启动功率最高运行功率稳定操作温度回路的热阻模型第9页/共37页2023/3/23102.2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。返回第10页/共37页2023/3/23112.3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。返回第11页/共37页2023/3/23122.4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。返回第12页/共37页2023/3/23132.5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上，将会进一步考察回路的热阻。返回第13页/共37页2023/3/23143.1模型介绍----总体流体模型第14页/共37页2023/3/23153.2模型介绍----总体热模型第15页/共37页2023/3/23163.3模型介绍---蒸汽段的流体模型

第16页/共37页2023/3/23173.4模型介绍----回流段的流体模型

第17页/共37页2023/3/23183.5模型介绍----冷凝段的流体模型

第18页/共37页2023/3/23192.6模型介绍----散热板的热模型第19页/共37页2023/3/23203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第20页/共37页2023/3/23213.1结果分析—--温度随功率的变化返回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第21页/共37页2023/3/23223.2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第22页/共37页2023/3/23233.3结果分析—--冷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，……，12第23页/共37页2023/3/23244.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、管径结果返回第24页/共37页2023/3/23254.1.1优化设计----蒸发器的直径返回原因：热流密度下降(导致温度下降)，热泄漏增大(导致温度上升)，共同作用的结果蒸发器的温度随着蒸发器直径的增大先较快地减小，然后较为平缓地有所增大第25页/共37页2023/3/23264.1.2优化设计----蒸发器的长度返回原因：热流密度减小，(导致温度下降)，槽道阻力上升，(导致温度上升)，共同作用的结果随着蒸发器的长度在增大，蒸发的温度先迅速下降后平缓上升第26页/共37页2023/3/23274.2.1优化设计----蒸汽段(回流段)长度返回长度增大，蒸发器的壁温会在缓慢上升原因：增大了流动阻力第27页/共37页2023/3/23284.2.2优化设计----冷凝段长度返回原因：增大了冷凝面积，使回流的工质有更高过冷度，可以降低补偿室乃至蒸发器的温度随着冷凝段长度的增大，蒸发器壁温一直在下降。下降的趋势先快后慢，最后趋于平缓第28页/共37页2023/3/23294.2.3优化设计----管径返回原因：1、减小了流动阻力2、增大了冷凝面积，使回流的工质有更高过冷度，可以降低补偿室乃至蒸发器的温度随着管径的增大，负荷端的温度在下降

第29页/共37页2023/3/23304.3优化设计----结果(一)初始模型优化后模型蒸发器长度/mm2025蒸发器直径/mm2015管径/mm3.03.5蒸汽段(回流段)长度/cm2520第30页/共37页2023/3/23314.3优化设计----结果(二)第31页/共37页2023/3/23324.3优化设计----结果(三)第32页/共37页2023/3/23335.1结论优化后，蒸发器体积减少30%10W启动时的热阻下降了63%200W运行时的热阻下降了25%10W启动时蒸发器的温度下降了15℃200W运行时蒸发器的温度下降了5℃设计满足要求第33页/共37页2023/3/23345.2成果从理论上讨论出回路热管的各种参数对其性能的影响，得出一个性能优异的回路热管模型实用新型：一种回路热管的蒸发器和补偿室结构及其布置方式(申请中)实用新型：回路热管中一种吸液芯的槽道结构(申请中)专利：一种新型高效平板式回路热管(撰写中)

第34页/共37页2023/3/23355.3创新点将回路热管的应用由航天向民用发展进行小型化和廉价化设计