热管及其应用.ppt

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1、热管及其应用l2001年7月31l 专业 快速 高品质TTS CORPORATION Total Thermal Solution Thermal Technology for System专业 快速 高品质热管是一种新型高效的传热元件l新型:热管发明于20世纪60年代l高效:良好的换热性能几十年来在应用中已崭露头角,解决了许多传热中的难题,具有强大的生命力,引起了科技界的极大兴趣及研究热情。专业 快速 高品质主要内容l一.前言:热管的发展史l二.热管的结构及工作原理 (一)热管的结构 (二)工作原理 (三)重力热管 (四)热管的型式l三.热管的特性l四.热管的传热l五.热管的应用专业 快速

2、高品质一.前言:热管的发展史l1942年前:简单的二相热虹吸管 J.Perkins及他的孙子L.P.Perkins发明并改进了“Perkins tube”即热虹吸管简单的重力热管。l19601970年:发明热管并成功应用于航天事业 19421944年,R.S.Gaugler提出了现代热管的原理,但未实际应用;1963年,G.M.Grover再次提出了这一原理,并以热管命名;六十年代,成功应用于空间飞行和原子反应堆;l七十年代至今:热管在地面上各领域的应用蓬勃发展专业 快速 高品质二.热管的结构及工作原理(一)热管的结构1.外壳2.毛细吸液芯3.工作流体 吸热段绝热段放热段专业 快速 高品质1.

3、外壳容器(大部分为圆管,金属)2.毛细吸液芯起毛细泵作用,回流凝结液主要作用:1.产生毛细压头,将工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要求性质:1.提供高的毛细压头(孔尺寸小)2.高的渗透性,流动性(孔尺寸大)3.恰当的厚度4.于工质相容5.润湿工质6.容易安装并贴合管内壁专业 快速 高品质毛细吸液芯主要型式:金属丝网金属粉末烧结轴向槽道专业 快速 高品质Heat Pipe Heat Pipe 的的内部结构内部结构Fine FiberBundle WickAxially GroovedScreen MeshSintered powder专业 快速 高品质Micro H

4、eat Pipe Micro Heat Pipe 的特性分析的特性分析Fine Fiber:(Fujikura)Fine Fiber:(Fujikura)Fine Fiber:(Fujikura)Fine Fiber:(Fujikura)優點優點:世界專利構造世界專利構造,於彎曲或扁平加工時於彎曲或扁平加工時,仍能維持最大的蒸氣流斷切仍能維持最大的蒸氣流斷切面積面積,並保護及維持液體單向回流並保護及維持液體單向回流.因此較不易受音速因此較不易受音速/飛散飛散/毛細等限制毛細等限制.缺點缺點:因構造較複雜因構造較複雜,本體製造較不容易本體製造較不容易,單價成本較高單價成本較高.Screen Me

5、sh:(Taiwanese)Screen Mesh:(Taiwanese)Screen Mesh:(Taiwanese)Screen Mesh:(Taiwanese)優點優點:價格合宜價格合宜,易於加工製造易於加工製造,不易受飛散不易受飛散/毛細等限制毛細等限制.缺點缺點:內網易因彎曲而變型內網易因彎曲而變型,影響蒸氣流斷切面積影響蒸氣流斷切面積,液體回流較不容易液體回流較不容易(擴擴散散).).GroovedGroovedGroovedGrooved:(Furukawa):(Furukawa):(Furukawa):(Furukawa)優點優點:價格最便宜價格最便宜,生產最容易生產最容易,不

6、易受音速限制不易受音速限制.缺點缺點:毛細力弱毛細力弱.Sintered Powder:(Sintered Powder:(ThermacoreThermacore)優點優點:毛細力強毛細力強.缺點缺點:R R 角大角大,t0.5 Dt0.5 D专业 快速 高品质Heat Pipe Heat Pipe 的特性應用的特性應用*工作流體選定工作流體選定:非燃性非燃性/操作溫度操作溫度/熱傳量熱傳量/容許熱阻容許熱阻/經濟性經濟性.*容器材料選定容器材料選定:熱傳導性熱傳導性/真空維持度真空維持度/耐壓耐壓/流體相容性流體相容性(腐蝕腐蝕/化學反化學反應應).).*容器及注入管加工容器及注入管加工:

7、長度長度/去毛邊去毛邊/洗淨洗淨/封口封口/保存保存.*洩漏測試洩漏測試:氦氣洩漏探測氦氣洩漏探測/高壓氣泡檢查高壓氣泡檢查,防止容器針孔防止容器針孔/裂隙裂隙/氧化氧化.*真空烘烤真空烘烤:高溫高溫/真空真空,使熱導管組件作表面毛細脫水使熱導管組件作表面毛細脫水/脫氣脫氣.*工作流體脫氣真空工作流體脫氣真空:加熱驅出加熱驅出(液態液態)/)/氣體液化氣體液化(氣態氣態)/)/真空汞浦法真空汞浦法.*注入封口注入封口:鎢電極鈍氣熔接鎢電極鈍氣熔接,為唯一防漏封口法為唯一防漏封口法.*防氧化防氧化/腐蝕處理腐蝕處理:化成法化成法/電鍍法電鍍法.*測試測試(抽樣抽樣):):氧化氧化/腐蝕耐用性測試

8、腐蝕耐用性測試.最大熱傳導效能測試最大熱傳導效能測試.最大彎曲最大彎曲/扁平後之洩漏測試扁平後之洩漏測試.最大彎曲最大彎曲/扁平後之效能測試扁平後之效能測試.壽命及熱衝擊測試壽命及熱衝擊測試.专业 快速 高品质工作流体(工质)性能要求:1.与热管外壳及毛细吸液芯材料的相容性2.热稳定性3.与管壁及吸液芯间的润湿性4.在工作温度范围下的蒸气压力不要太高或太低5.汽化潜热 高6.导热性能 高7.蒸气及液体的粘性 低8.表面张力 高9.允许的冰点及倾点温度即品质因数要大专业 快速 高品质常用工质工质工质凝固点(凝固点()正常沸点(正常沸点()工作范围(工作范围()氨R11甲醇-78-111-98-3

9、32464-60100-4012010130水010030300导热姆12257150395钠988926001200锂179134010001800专业 快速 高品质(二)热管的工作原理:籍助于工质的相变潜热传输热量二大优点:1.高的传热效率(潜热显热)2.低的传热温差(理论上T 0)热源(SOURCE)汽化潜热热沉(SNIK)凝结为液体放热段蒸发为蒸气加热段QQ专业 快速 高品质(四)热管的形式1.按不同的冷凝液体回收方式可分为:冷凝液回收方式热管形式重力重力热管毛细力标准热管离心力回转热管专业 快速 高品质(三)重力热管工作原理冷凝液籍助重力回流优点:结构简单工作可靠注意:1.必须工作在

10、重力场;2.加热段必须位于放热段下。专业 快速 高品质(四)热管的形式2.按热管的结构形状,可分为:单管型热管平板型热管分离型(回路)热管分离型热管平板型热管专业 快速 高品质三.热管的特性由于热管的特有结构,使它具有许多独特的性质,它的应用正是以这些特性为基础。(一)良好的导热性:导热方式:热管工质相变铜、银显热,自由电子,分子热运动导热系数:倍专业 快速 高品质对实心铜棒:式中:A铜棒的横截面积对于铜热管:如 为10则热管的式中:A热管的当量横截面积且这一比值随d0,l而增大。所以可以解决工程上以导热为主要矛盾的传热问题,如航天器的温控,电子器件的冷却。专业 快速 高品质(二)理想的等温性

11、热管正常工作时,内部处于汽液两相的平衡状态 Clausius-Clapeyron Eq.热管内蒸气由蒸发段流向冷凝段的压差 蒸发段与冷凝段间温差因 很小,所以 也很小但 ()随Q的增加而增加,可用于对等温要求很高的黑体炉、等温炉等专业 快速 高品质(三)热流密度可调性热量:即热流密度:所以专业 快速 高品质(四)传热方向的可逆性专业 快速 高品质(五)对外界要求的适应性热源:热流体的对流,热固体的辐射热,固体的导热单向传热:热二极管,美国阿拉斯加输 油管道的永久冻土层热管保护系 统,114000支热管,长度最长可 达21m。温度控制:可控热导热管。专业 快速 高品质四.热管的传热(一)热管的传

12、热过程典型的热管传热过程由许多传热子过程组成,其热阻模型如图:R5R4R3R2R1R10R6R7R8R9ThTcR1:热源与蒸发段外壁面间的(对流)换热热阻R2:蒸发段管壁的径向导热热阻。R3:蒸发段吸液芯的(径向)导热热阻R4:蒸发段内表面的 蒸发换热热阻R5:蒸汽的轴向流动热阻R6:冷凝段内表面的冷凝换热热阻R7:冷凝段吸液芯的(径向)导热热阻R8:冷凝段管壁的(径向)导热热阻R9:冷源与冷凝段外壁面的(对流)换热热阻R10:管壁与吸液芯的轴向导热热阻专业 快速 高品质(二)热管的传热极限粘性极限声速极限携带极限毛细极限沸腾极限专业 快速 高品质Heat Pipe Heat Pipe 的熱

13、傳輸限制的熱傳輸限制蒸發部前端溫度蒸發部前端溫度(K)K)熱傳送量熱傳送量(w)w)黏性限制黏性限制音速限制音速限制飛散限制飛散限制沸騰限制沸騰限制毛細限制毛細限制*黏性限制黏性限制 低溫的蒸氣流動黏性力低溫的蒸氣流動黏性力*音速限制音速限制 蒸氣流達到音速的塞流現蒸氣流達到音速的塞流現 象象.*飛散限制飛散限制 蒸氣流速過大蒸氣流速過大,超過液體超過液體 表面張力表面張力,使液滴飛散的使液滴飛散的 剪斷力剪斷力.*毛細管限制毛細管限制 液體的流量大於毛細輸送液體的流量大於毛細輸送 能力能力.此現象易使毛細乾此現象易使毛細乾 燥燥,燒毀導管燒毀導管.*沸騰限制沸騰限制 所有流體都達到沸騰汽化所

14、有流體都達到沸騰汽化 時時,會降低傳熱的能力會降低傳熱的能力.专业 快速 高品质五.热管的应用(一)空间飞行器 温度控制:卫星航天飞行器宇宙服高传热量小温差的传热专业 快速 高品质(二)核反应堆核反应堆堆芯的热控制。专业 快速 高品质(三)余热回收系统1.特点:传热温差小;传递热量大。专业 快速 高品质(三)余热回收系统2.设备热管锅炉、热管省煤器、热管空预器专业 快速 高品质(三)余热回收系统3.系统 加热炉余热回收 高炉热风炉余热回收 水泥窑炉余热发电 窑炉余热回收 干燥机余热回收 锅炉空气预热器专业 快速 高品质(四)电子器件冷却1.电子器件散热要求增加 电子器件集成化 发热电子元件功率

15、增加 热流密度增加 工作温度增高专业 快速 高品质(四)电子器件冷却 2.电子器件故障率随工作温度的增加而增加 专业 快速 高品质专业 快速 高品质专业 快速 高品质专业 快速 高品质专业 快速 高品质专业 快速 高品质()其它应用永久冻土层的稳定 Alaska专业 快速 高品质(五)其它应用 人体温度控制专业 快速 高品质(五)其它应用可控热导热管专业 快速 高品质(四)电子器件冷却 有效的散热已成为十分重要的问题,常规金属(单相)散热器已无法满足不断增长的散热要求,高效、被动、紧凑型的相变散热器热管散热器的应用已势在必行。大功率IGBT热管散热器专业 快速 高品质(四)电子器件冷却 密闭小

16、室内的电子器件冷却 气-气热管换热器专业 快速 高品质(四)电子器件冷却 高端CPU热管散热器专业 快速 高品质Applications of Micro Heat PipeNote Book -RHE Type 专业 快速 高品质Applications of Micro Heat PipeNote Book -RHE Type FanFan专业 快速 高品质Applications of Micro Heat PipeIPC or Server -RHE Type 专业 快速 高品质Applications of Micro Heat PipeDesktop PC专业 快速 高品质未來發展

17、未來發展专业 快速 高品质Cooler +Chassis Active +PassivePassive+Passive未來發展未來發展专业 快速 高品质Vapor Chamber专业 快速 高品质Thermal Tower专业 快速 高品质Heat Plate专业 快速 高品质Heat Pipe Heat Pipe 的性能測試的性能測試Thermal resistanceQmaxThermal response专业 快速 高品质Micro Heat Pipe Micro Heat Pipe 的選用注意事項的選用注意事項1.1.Power,Power Power,Power densityden

18、sity 2.2.Need to be flattened Need to be flattened?3.3.Need to be bent?Need to be bent?4.4.Direct contact to the CPU?Direct contact to the CPU?5.5.UH or LH mode?UH or LH mode?6.6.Bonding process?Bonding process?专业 快速 高品质Micro Heat Pipe Micro Heat Pipe 的選用注意事項的選用注意事項1.1.Power,Power Power,Power densit

19、ydensity 2.2.Need to be flattened Need to be flattened?3.3.Need to be bent?Need to be bent?=Diameter,numberDiameter,number0.50.5D Generally no problemD Generally no problem 0.50.5D Sintered powderD Sintered powder1 3DD=3mm 5mm ,R 3DD 6mm Auxiliary process D 6mm Auxiliary process 专业 快速 高品质Micro Heat

20、Pipe Micro Heat Pipe 的選用注意事項的選用注意事項4.4.Direct contact to the CPU?Direct contact to the CPU?5.5.UH or LH mode?UH or LH mode?6.6.Bonding process?Bonding process?Yes=Sintered powderYes=Sintered powder UH=Sintered powder,Mesh typeUH=Sintered powder,Mesh type Solder 200 C Sintered powderSolder 200 C Sintered powder Solder 200 C Sintered powder,Solder 200 C Sintered powder,GroovedGrooved专业 快速 高品质专业 快速 高品质

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