热传培训基础之热管培训基础.ppt

1、传热暨热设计基础之热管培训基础,广州网站设计,三、Heatpipe 基础,目录,概述 热管的工作原理 热管的特性 热管的热传导极限 热管的结构 热管的测试 热管的应用,三、Heatpipe 基础,概述,1963年美国 Los Alamos 国家实验室的 G.M.Grover 发明了一种称作为热管的传热组件，它充分利用热传导原理与致冷介质快速热传递性质，在很小的温差下就能有很大传热量，然后透过热管将发热物体的热量迅速传递到体外，其导热能力超过了目前任何已知金属的导热能力，具有热的超导体的美誉。,三、Heatpipe 基础,热管的工作原理（1）,典型的热管是由管壳、吸液芯和工质组成，将管内抽到负压

2、（真空）后充以适量的工作液体，使紧贴管内壁的吸液芯毛细多孔材料中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），根据需要可以在两段中间布置绝热段，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，如此循环不已，热量由热管的一端传至另一端。,三、Heatpipe 基础,热管的工作原理（2）,三、Heatpipe 基础,热管的工作原理（3）,重力热管工作原理： 冷凝液籍助重力回流。 其必须满足的 条件： 必须工作在重力场； 加热段必须位于放热段下。 应用领域较小,三、Heatpipe 基础

3、,热管的特性（1）,热管传热能力高： 因为热管的传热主要靠工质相变过程中吸收释放气化潜热和 蒸汽流的传热，所以它的传热能力较其他导热材料高几十倍。 热管的均温特性好： 热管工作时，管内的蒸汽处于饱和状态，蒸汽流动和相变时的温差小，所以沿热管蒸发端表面的温度梯度很小，可自动地形成均匀的热流温度。 具有良好的恒温特性： 采用一种充有惰性气体的可控热管，当输入端的热量变化时，因蒸汽压力的变化使冷凝端的冷凝面积改变，以维持热源温度的恒定。 具有可变热流密度的能力： 由于热管中的蒸发和冷凝空间是分开的，若在蒸发端输入高热流密度，则在冷凝端可得到低的输出热流密度，实现“热变压器”的作用。,三、Heatpi

4、pe 基础,热管的特性（2）,热流方向遵循可逆性： 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器及其他装置。,三、Heatpipe 基础,热管的特性（3）,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。 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

5、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)。,三、Heatpipe 基础,热管的特性（4）,热管的相容性: 热管的相容性是指热管在预期的设计寿命内，管内工作液体同壳体不发生显著的化学反应或物理变化，或有变化但不足以影响热管的工作性能。相容性在热管的应用中具有重要的意义。只有长期相容性良好的热管，才能保证稳定的传热性能，长期的工作寿命及工业应用的可能性。碳钢水热管正是通过化学处理的方法，有效地解决了碳钢与水的化学反应问题，才使得碳钢水热管这种高性能、长寿命、低成本的热管得以在工业中大规模

6、推广使用。,热管工质和相容管壳材料及适应温度范围,三、Heatpipe 基础,热管的热传导极限,黏性极限：低温的蒸气流动黏性力。 音速极限：蒸汽流速过大，局部达到了音速，热管出现了类似 喷嘴之塞流现象。 飞散极限：输送热量过大，导致蒸汽流速度大于某界限值时，汽液界面的蒸汽流之剪应力大于毛细管细孔的表面张力，导致液体飞溅，造成回流液不足。 毛细管极限：流量达到一定值时，超过 了毛细管的输送能力，导致返回加热 部的液体不足，造成毛细管构造发生 干燥，有时发生烧损。以水为流体的 热管其最大的热输送量常受限制于此。 沸腾极限：当毛细构造式热管蒸发部的热流束增加时，使液体在毛细构造内沸腾而产生气泡，使传

7、热面和毛细结构形成气层，热阻很大，造成管壁过热，烧毁热管。,三、Heatpipe 基础,热管的结构（1）,热管结构分为：外壳，毛细吸液芯，工作液质 外壳： 热管的管壳大多为金属无缝钢管，根据不同需要可以采用不同材料，如铜、铝、碳钢、不锈钢、合金钢等。管子可以是标准圆形，也可以是异型的，如椭圆形、正方形、矩形、扁平形、波纹管等。管径可以从2mm到200mm，甚至更大。长度可以从几毫米到l00米以上。低温热管换热器的管材在国外大多采用铜、铝作为原料。采用有色金属作管材主要是为了满足与工作液体相容性的要求。,三、Heatpipe 基础,热管的结构（2）,毛细吸液芯： 作用： 1. 产生毛细压力，将工

8、质从冷凝段传送到蒸发段。 2. 将工质液体均匀分布到任一吸热面积上。 吸液芯的要求： 1. 提供高的毛细压力（孔尺寸小）。 2. 高的渗透性，流动性（孔尺寸大）。 3. 恰当的厚度。 4. 与工质相容。 5. 润湿工质。 6. 容易安装并贴合管内壁。,三、Heatpipe 基础,热管的结构（3）,毛细吸液芯： 毛细吸液芯的几种结构： 1. 金属丝网(Screen)。 2. 金属粉末烧结(Sintered Powder) 。 3. 轴向槽道(Axial Groove)。,三、Heatpipe 基础,热管的结构（4）,毛细吸液芯： 常用不同毛细结构的热管适用方位和热流密度:,三、Heatpipe

9、基础,热管的结构（5）,常用工作介质：,三、Heatpipe 基础,热管的测试（1）,热管所必须做的测试：,1，最大热传导效能测试。 2，寿命及热冲击测试。 3，氧化/腐蚀耐性测试。 4，最大弯曲/扁平后之泄漏测试。 5，最大弯曲/扁平后之效能测试。,三、Heatpipe 基础,热管的测试（2）,最大热传导效能测试：,Description 1. The dimension of heat column: 2566 2. The dimension of heat block: 2530 mm. 3. The heat block is heated by power supply. 4. T

10、H: The temperature of heat block near the interface between heat column and heat block. 5. Room temperature = 24 2. 6. The heat block is cooled by heat column with water jacket. 7. The Qmax is a value of maximum heat transfer disappeared by heat column at temperature of TH.,A Qin = Constant B THeat

11、Source = Constant,Heat Column,Water Jacket,25 mm,Heat Block (CPU),TH,三、Heatpipe 基础,热管的测试（3）,常用热管的最大传热功率的限制：,三、Heatpipe 基础,热管的测试（4）,Qmax / Thermal Resistance：,The test setup for Qmax is similar to the test setup for Thermal Resistance except that heat is added at 5W intervals, beginning from 5W, righ

12、t up to 80W. The temperature difference between the evaporator section and the condenser section is measured and the value is divided by the amount of heat added. This is the thermal resistance of the heat pipe. Qmax is observed when the value of thermal resistance climbs abnormally high.,三、Heatpipe

13、 基础,热管的测试（5）,Heat Pipe Thermal Shock Test（1） ：,三、Heatpipe 基础,热管的测试（6）,Heat Pipe Thermal Shock Test（2） ：,三、Heatpipe 基础,热管的测试（7）,Heat Pipe Life Test（1） ：,Life Test Rack,三、Heatpipe 基础,热管的测试（8）,Heat Pipe Life Test （2）：,Life Test Contd,三、Heatpipe 基础,热管的测试（9）,Heat Pipe Life Test （3）：,Heat Pipe MTBF Estima

14、tion：,TaiSol heat-pipes and thermal modules now carry a standard warranty of three years. This duration is subject to revision in the future as the reliability data is updated. TaiSol has yet to experience a situation where the heat-pipes or thermal modules are returned for degradation of performanc

15、e or failure. Based on current test statistics, Total samples:30 Total Test Hours (T):227808 hrs Total Failure (r):0 Obtaining the chips square coefficient (X) at confidence level ( = 90%) yields the value of 4.61. MTBF = 2 x T / X ( , 2 r +2) the current predicted MTBF life is 11 years with 90% con

16、fidence level.,三、Heatpipe 基础,热管的测试（10）,Heat Pipe Burst Temperature Test（1） ： 把热管置于真空加热炉内，真空度要求： 1.010-1Pa；温度曲线如左图；测试结束后要求热管无变形，传热效果无明显影响，封口及焊缝端无泄漏。,三、Heatpipe 基础,热管的测试（11）,Heat Pipe Burst Temperature Test（2） ：,Protective Chamber,Temperature Indicator,Power Supply and Indicator,Burst Heat-Pipe,三、Heat

17、pipe 基础,热管的测试（12）,Heat Pipe Burst Temperature Test （3）：,三、Heatpipe 基础,热管的测试（13）,氧化/耐腐蚀测试： 测试条件：下表所示； 测试时间：连续24小时； 测试结果：测试结束后要求热管表面无严重腐蚀现象，传热效果无明显影响，封口及焊缝端无泄漏。,三、Heatpipe 基础,热管的测试（14）,最大弯曲/压扁后之泄漏、效能测试： 根据使用条件的不同，热管可以通过弯曲、压扁等后续加工来满足各种环境的应用，这也是热管能够得到广泛使用的一个很重要的优点。一般的，热管经过弯曲、压扁等加工后，其传热效能、使用寿命等都会受到一定的影响，

18、这样就需要对其另外进行泄漏、效能等方面的测试。经验可知，需要弯曲的热管其传热效果每折弯一次损失15%。 热管的折弯限制：,三、Heatpipe 基础,热管的测试（15）,热管热阻测试： 常温环境下，热管的传热热阻也是反映热管传热性能的重要指标；进行热阻试验时,传热组件端采用恒定发热组件加热,冷凝端采用自然对流冷却,试验系统原理如图所示：,三、Heatpipe 基础,热管的测试（16）,等温性能测试： 常温环境下，等温性能测试可以用于快速检验热管的传热性能；,三、Heatpipe 基础,热管的应用（1）,热管应用的领域很广泛。航空，核反应堆，建筑，余热回收系统，电子散热系统。下面主要介绍电子散热领域的应用。 PC/IT 领域： （CPU Cooler）,三、Heatpipe 基础,热管的应用（2）,PC/IT 领域： （CPU Module）,三、Heatpipe 基础,热管的应用（3）,PC/IT 领域： （NOTEBOOK C