回路热管的模拟及优化设计.pdf

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1、2010-10-221 回路热管的模拟及优化设计 答答答答 辩辩辩辩 者：莫者：莫者：莫者：莫 冬冬冬冬 传传传传 项目编号：项目编号：项目编号：项目编号： 06060606 指导老师：吕树申教授指导老师：吕树申教授指导老师：吕树申教授指导老师：吕树申教授 2010-10-22 2 1.1 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 2010-10-22 3 1.2.1 回路热管简介 回路热管(Loop Heat Pipe， 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

2、组 成。 传热原理：工质相变 2010-10-22 4 1.2.2 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 2010-10-22 5 1.2.3 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 2010-10-22 6 1.2.4 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

3、型化(如用在电脑CPU冷却)、廉价 化(如水为工质) 2010-10-22 7 1.3 SINDA/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 2010-10-22 8 1.4 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 2010-10-22 9

4、 2.1 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 2010-10-22 10 2.2 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 2010-10-22 11 2.3 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

5、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 2010-10-22 12 2.4 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 2010-10-22 13 2.5 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

6、热阻。 Q tt R cE = 返回 2010-10-22 14 3.1 模型介绍模型介绍-总体流体模型总体流体模型 2010-10-22 15 3.2 模型介绍-总体热模型 2010-10-22 16 3.3 3.3 3.3 3.3 模型介绍模型介绍-蒸汽段的流体模型蒸汽段的流体模型 2010-10-22 17 3.4 3.4 3.4 3.4 模型介绍模型介绍-回流段的流体模型回流段的流体模型 2010-10-22 18 3.5 3.5 3.5 3.5 模型介绍模型介绍-冷凝段的流体模型冷凝段的流体模型 2010-10-22 19 2.6 2.6 2.6 2.6 模型介绍模型介绍-散热板的热

7、模型散热板的热模型 2010-10-22 20 3 3 3 3 结果分析结果分析 温度随功率的变化温度随功率的变化 回路的热阻回路的热阻 冷凝段的换热冷凝段的换热 优化 2010-10-22 21 3.1 3.1 3.1 3.1 结果分析结果分析- - - -温度随功率的变化温度随功率的变化 返回 050100150200 50 55 60 65 70 75 80 85 Evaporator Payload T/? power/W 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

8、方 面有着优异的性能 2010-10-22 22 3.2 3.2 3.2 3.2 结果分析结果分析- - - -回路的热阻回路的热阻 050100150200 0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 Resistance R/(K*W-1) power/W 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。 Q tt R cE = c t 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0.5 K/W左右 回路热管在传热方面性能优异 2010-10-22 23 3.3 3

9、.3 3.3 3.3 结果分析结果分析- - - -冷凝段的换热冷凝段的换热 返回 024681012 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 80 UA. power = 80W UA. power = 120W UA. power = 150W Temp. power = 80W Temp. power = 120W Temp. power = 150W UA/(W*m2*K-1) or T/? No. 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

10、 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 2010-10-22 24 4. 4. 4. 4. 优化设计优化设计 目标：尺寸方面尽量小，最大功率达到目标：尺寸方面尽量小，最大功率达到200W200W以上，蒸以上，蒸 发器的壁温不超过发器的壁温不超过8585，在，在150W150W以下时传热性能最佳以下时传热性能最佳 依据：同等功率下，蒸发器的壁温越低，性能越佳依据：同等功率下，蒸发器的壁温越低，性能越佳 蒸发器蒸发器( (圆柱形圆柱形) )：直径直径、长度长度 管路：管路：蒸汽段蒸汽段( (回流段回流段) )长度长度、冷凝段长度冷凝段长度、管径管径 结果 返回 2010-1

11、0-22 25 4.1.1 4.1.1 4.1.1 4.1.1 优化设计优化设计-蒸发器的直径蒸发器的直径 46810121416182022 55 60 65 70 75 80 power = 80W power = 120W power = 150W T/ D/mm 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 2010-10-22 26 4.1.2 4.1.2 4.1.2 4.1.2 优化设计优化设计-蒸发器的长度蒸发器的长度 1020304050 55 60 65

12、 70 75 80 85 90 D=20mm,power = 80W D=20mm,power = 120W D=20mm,power = 1500W D=10mm,power = 80W D=10mm,power = 120W D=10mm,power = 150W T/ L/mm 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 2010-10-22 27 4.2.14.2.14.2.14.2.1 优化设计优化设计-蒸汽段蒸汽段( ( ( (回流段回流段) ) ) )长度长度 10

13、20304050 56 58 60 62 64 66 68 70 72 power = 80W power = 120W power = 150W T/ L/cm 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 2010-10-22 28 4.2.24.2.24.2.24.2.2 优化设计优化设计-冷凝段长度冷凝段长度 2030405060708090100110 50 55 60 65 70 75 80 85 power = 80W power = 120W power = 150W T/ L/cm 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

14、 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 2010-10-22 29 4.2.34.2.34.2.34.2.3 优化设计优化设计-管径管径 1.01.52.02.53.03.54.04.55.05.5 50 55 60 65 70 75 80 85 90 95 100 power = 80W power = 120W power = 150W T/ Di/mm 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 2010-10

15、-22 30 4.34.34.34.3 优化设计优化设计-结果结果( ( ( (一一) ) ) ) 2025蒸汽段(回流段)长度/cm 3.53.0管径/mm 1520蒸发器直径/mm 2520蒸发器长度/mm 优化后模型初始模型 2010-10-22 31 4.34.34.34.3 优化设计优化设计-结果结果( ( ( (二二) ) ) ) 050100150200 35 40 45 50 55 60 65 70 75 80 85 Evaporator (original model) Payload (original model) Evaporator (optimized model)

16、 Payload (optimized model) T/? power/W 2010-10-22 32 4.34.34.34.3 优化设计优化设计-结果结果( ( ( (三三) ) ) ) 050100150200 0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 original model optimized model R/(K*W-1) power/W 2010-10-22 33 5.1 5.1 5.1 5.1 结论结论 优化后，蒸发器体积优化后，蒸发器体积减少减少30%30%30%30% 10W10W10W10W启动时的热阻启动时的热阻下降下降了了63%63%63%63% 200W200W2

17、00W200W运行时的热阻运行时的热阻下降下降了了25%25%25%25% 10W10W10W10W启动时蒸发器的温度启动时蒸发器的温度下降下降了了15151515 200W200W200W200W运行时蒸发器的温度运行时蒸发器的温度下降下降了了5 5 5 5 设计设计满足要求满足要求 2010-10-22 34 5.2 5.2 5.2 5.2 成果成果 从理论上讨论出回路热管的各种参数对其性能从理论上讨论出回路热管的各种参数对其性能 的影响，的影响，得出得出一个性能优异的回路热管模型一个性能优异的回路热管模型 实用新型：实用新型：一种回路热管的蒸发器和补偿室结一种回路热管的蒸发器和补偿室结

18、构及其布置方式构及其布置方式 ( ( ( (申请中申请中) ) ) ) 实用新型：实用新型：回路热管中一种吸液芯的槽道结构回路热管中一种吸液芯的槽道结构 ( ( ( (申请中申请中) ) ) ) 专利专利：一种新型高效平板式回路热管：一种新型高效平板式回路热管( ( ( (撰写中撰写中) ) ) ) 2010-10-22 35 5.3 5.3 5.3 5.3 创新点创新点 将回路热管的应用由将回路热管的应用由航天向民用航天向民用发展发展 进行进行小型化和廉价化小型化和廉价化设计设计 确定确定性能评价标准性能评价标准：小型回路热管与航天：小型回路热管与航天 方面的大型回路热管不同方面的大型回路热管不同 用软件进行用软件进行模拟模拟 2010-10-22 36 6 6 6 6 致谢致谢 感谢学院创新基金对本论文的资助感谢学院创新基金对本论文的资助 感谢吕树申教授的指导感谢吕树申教授的指导 感谢徐旸师兄、温超师姐、朱宏伟、林莉还有感谢徐旸师兄、温超师姐、朱宏伟、林莉还有 蔡俊辉给予的帮助和鼓励蔡俊辉给予的帮助和鼓励 感谢我的家人还有朋友对我的关心和鼓励感谢我的家人还有朋友对我的关心和鼓励 感谢在座的各位评委、老师、同学感谢在座的各位评委、老师、同学