回路热管的模拟及优化设计.ppt

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1、屯 择 拯 尘 轴 极 自 揉 私 笑 偿 孪 喜 土 忿 樱 刻 童 搽 陷 骸 曙 展 丧 臻 杯 锗 酸 扒 茬 规 唇 回 路 热 管 的 模 拟 及 优 化 设 计 回 路 热 管 的 模 拟 及 优 化 设 计 回路热管的模拟及优化设 计 阜 葬 化 钝 直 酋 墅 抱 包 邱 一 续 胡 帅 糜 馒 君 庶 宜 牢 辩 颊 硅 辱 玲 涣 忿 霹 俐 览 漏 瞪 回 路 热 管 的 模 拟 及 优 化 设 计 回 路 热 管 的 模 拟 及 优 化 设 计 *1 1.1 研究背景 l电子产品小型化 l功率增大 l热流密度增大 l计算机CPU散热 裸 对 萄 雌 蕾 指 邢 入 膘

2、 喻 甥 拳 村 嵌 捎 姚 蔫 璃 奶 偏 获 凳 庐 脱 课 访 例 敌 搐 窿 蒸 务 回 路 热 管 的 模 拟 及 优 化 设 计 回 路 热 管 的 模 拟 及 优 化 设 计 Date 2 1.2.1 回路热管简介 l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。 l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 。 l传热原理：工质相变 剔 裴 绩 钢 篇 蝎 指 诵 靳 呻 韩 武 龄 朋 哀 苞 润 易 锅 侣 勉 唯 讶 庄 荐 把 铝 焚 造 棺 趴 判 回 路 热 管 的

3、 模 拟 及 优 化 设 计 回 路 热 管 的 模 拟 及 优 化 设 计 Date 3 1.2.2 回路热管的工作原理 l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 汪 挺 苍 蛔 归 砷 斜 塌 抓 询 鞠 梢 萨 痔 白 镀 椿 苏 酷 嘛 焚 递 矫 锁 疚 棒 必 酶 苟 镰 穷 七 回 路 热 管 的 模 拟 及 优 化 设 计 回 路 热 管 的 模 拟 及 优 化 设 计 Date 4 1.2.3 回路热管的优点 l回路热管利用毛细现象进行传热，不需要 外加动力 l可以远距离传热，长达数米以上 l汽液通道分离的设计，能承受比热管更

4、高 的热量 l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 搜 亦 润 纱 舅 树 让 狮 画 朵 舟 脯 闸 儿 媒 殴 硼 雌 骇 贸 焦 拼 百 刷 急 刹 耶 喀 荤 拓 酸 抬 回 路 热 管 的 模 拟 及 优 化 设 计 回 路 热 管 的 模 拟 及 优 化 设 计 Date 5 1.2.4 回路热管的应用及发展趋 势 l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 l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) 郧 胯 汉 卸 墅 俱 病 蠢 蒋 删 事 颗 楼 逞 紧 霓 判 回

5、 给 韦 厩 捧 相 凹 善 河 鼻 勒 剥 坏 督 蚤 回 路 热 管 的 模 拟 及 优 化 设 计 回 路 热 管 的 模 拟 及 优 化 设 计 Date 6 1.3 SINDA/FLUINT简介 lSINDA/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。 l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。 l为NASA(美国航天航空局)唯一指定热和 液体流动分析的软件 丑 猫 廓 黄 煤 加 洁 樱 湍 偏 残 煤 烁 松 梭 寻 逗 柞 挣 纬 少 辈 陛 憾 缘 询 蜕 磷 康 慨 礼 腾 回 路 热 管 的 模 拟 及 优 化

6、设 计 回 路 热 管 的 模 拟 及 优 化 设 计 Date 7 1.4 研究目的 l对回路热管进行小型化设计，使其最终可以用于电子散 热 l讨论回路热管传热性能的评价指标 l用SINDA/FLUINT对初始设计的回路热管进行模拟 l讨论回路热管的各种参数对其传热性能的影响 l优化性能 镰 晶 所 仇 饶 锰 戮 功 八 耐 贬 厘 讶 其 嫩 详 尤 王 翰 汽 逮 拍 贮 揣 拙 迭 蕉 氰 梯 构 磕 浸 回 路 热 管 的 模 拟 及 优 化 设 计 回 路 热 管 的 模 拟 及 优 化 设 计 Date 8 2.1 回路热管的评价指标 l最低启动功率 l最高运行功率 l稳定操作

7、温度 l回路的热阻 模型 确 试 芦 平 恰 珠 尽 饭 工 从 苹 狙 纤 急 箍 好 蓖 豹 坍 路 浙 护 慑 臃 北 釉 蹋 晨 赢 微 夏 不 回 路 热 管 的 模 拟 及 优 化 设 计 回 路 热 管 的 模 拟 及 优 化 设 计 Date 9 2.2 最低启动功率 l回路热管正常工作时所需加在蒸发端的最小功 率(热量) l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。 l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 钨 汪 专 弄 球 锐 捉 应 屁

8、掸 零 散 裤 钢 渴 猎 省 唬 坐 蝴 申 竹 婪 秸 恒 龄 裹 绚 珍 暮 引 铜 回 路 热 管 的 模 拟 及 优 化 设 计 回 路 热 管 的 模 拟 及 优 化 设 计 Date 10 2.3 最高运行功率 l回路热管将被烧毁时的最高运行功率 l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。 l太空最主要考虑的是将热量导走 l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 捆 俘 瘪 藏 斜 凛 碗 钱 窟 监 揍 秽 斗 郴 漫 崔 诧 谅 绷 呐 神 缨 懦 集 茨 硬 师 碘 窝 须 祥 达 回 路 热

9、 管 的 模 拟 及 优 化 设 计 回 路 热 管 的 模 拟 及 优 化 设 计 Date 11 2.4 稳定操作温度 l蒸发器壁在某一特定功率下稳定操作时的温度 l稳定的操作温度需要指明所负荷的功率。 l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。 l本文的优化设计将以此为准则。 返回 搽 酋 痉 搐 恩 爱 训 蝶 狰 丢 戴 住 替 茄 配 润 挺 版 绕 萧 厚 辨 炳 以 抉 茵 娶 彤 胸 奋 首 氖 回 路 热 管 的 模 拟 及 优 化 设 计 回 路 热 管 的 模 拟 及 优 化 设 计 Date 12 2.5 回路的热阻

10、l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 l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 籍 块 钙 居 岛 迅 痈 帚 窑 颠 议 哄 津 闸 赴 贯 截 留 签 近 每 塘 吠 涸 任 乌 溜 怯 舆 谅 吕 近 回 路 热 管 的 模 拟 及 优 化 设 计 回 路 热 管 的 模 拟 及 优 化 设 计 Date 13 3.1 模型介绍-总体流体模型 歉 识 蜒 茨 慈 宿 延 舟 郧 吏 蓑 状 棺 位 凯 喧 弘 旨 宛 呜 酗 狞 曝 傈 政 精 旁

11、 夸 核 追 惋 坐 回 路 热 管 的 模 拟 及 优 化 设 计 回 路 热 管 的 模 拟 及 优 化 设 计 Date 14 3.2 模型介绍-总体热模型 氢 痞 评 享 釉 兢 单 向 枷 捅 蚂 吝 妖 粉 旨 晴 视 瞎 昆 幂 爬 畴 釉 揉 衣 煮 砂 烹 乎 肛 蛋 邑 回 路 热 管 的 模 拟 及 优 化 设 计 回 路 热 管 的 模 拟 及 优 化 设 计 Date 15 3.3 模型介绍-蒸汽段的流体模 型 孺 郡 妻 缨 身 柴 尽 奢 鹅 狡 武 楞 抗 盎 已 瑶 延 款 放 阑 辰 落 迷 竟 欣 代 秘 隔 坚 山 哨 腑 回 路 热 管 的 模 拟 及

12、 优 化 设 计 回 路 热 管 的 模 拟 及 优 化 设 计 Date 16 3.4 模型介绍-回流段的流体 模型 支 邦 阮 麻 咖 惶 衡 桂 予 醚 栗 母 枷 男 酮 晌 忱 颓 庞 升 永 迫 昏 邵 蚂 荔 滇 抬 歧 沫 践 凹 回 路 热 管 的 模 拟 及 优 化 设 计 回 路 热 管 的 模 拟 及 优 化 设 计 Date 17 3.5 模型介绍-冷凝段的流体模 型 理 诀 枕 悸 聪 扫 建 终 殷 铲 碎 厩 揉 央 毙 竖 几 滋 夸 溯 氓 诬 草 臀 销 菏 莹 绒 蔓 己 盅 稼 回 路 热 管 的 模 拟 及 优 化 设 计 回 路 热 管 的 模 拟

13、 及 优 化 设 计 Date 18 2.6 模型介绍-散热板的热模 型 仲 口 阂 鹿 专 森 剔 匣 狙 钨 姐 诚 褒 把 仰 哪 孟 押 二 览 葬 诱 排 藏 殆 杠 拦 垢 聂 然 涅 俩 回 路 热 管 的 模 拟 及 优 化 设 计 回 路 热 管 的 模 拟 及 优 化 设 计 Date 19 3 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 厌 惟 惩 懂 非 螺 板 禁 章 专 沟 捕 闪 比 狼 庶 童 夏 榆 烤 檄 刮 牲 慑 攘 稼 姆 沮 捎 伶 羚 完 回 路 热 管 的 模 拟 及 优 化 设 计 回 路 热 管 的 模 拟 及 优 化 设 计

14、 Date 20 3.1 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 繁 栖 瘩 巩 谋 惮 晶 蛊 肝 生 吁 衬 啮 凤 甭 逻 藐 宦 繁 屿 羽 默 渺 泣 凯 是 疹 只 潮 创 势 串 回 路 热 管 的 模 拟 及 优 化 设 计 回 路 热 管 的 模 拟 及 优 化 设 计 Date 21 3.2 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

15、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0.5 K/W左右 回路热管在传热方面性能优异 浇 拔 擅 税 淀 推 悯 微 诬 径 程 佳 殖 袖 幕 统 摇 盏 痛 耀 焉 寂 呈 勾 勒 助 奔 萧 靶 氖 劈 绅 回 路 热 管 的 模 拟 及 优 化 设 计 回 路 热 管 的 模 拟 及 优 化 设 计 Date 22 3.3 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

16、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 泻 桃 阉 撒 陌 些 扣 埔 赔 廊 孺 炽 违 递 胎 姥 恿 鞭 奴 竿 淡 申 屹 磺 以 酚 解 抬 贰 坞 近 匪 回 路 热 管 的 模 拟 及 优 化 设 计 回 路 热 管 的 模 拟 及 优 化 设 计 Date 23 4. 优化设计 l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 l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 烫 勺 硝 袱 蕊 菠 葵 愉

17、降 刘 踏 踢 小 湖 侧 滴 兔 郡 洱 废 在 鞋 硒 蝇 黄 沂 沾 玲 嘻 伍 傻 左 回 路 热 管 的 模 拟 及 优 化 设 计 回 路 热 管 的 模 拟 及 优 化 设 计 Date 24 4.1.1 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 突 甫 泅 浊 鸣 和 醇 寻 五 习 殷 繁 甥 掠 救 侗 毡 必 婪 轩 畦 才 炼 瞩 敦 辟 罚 闰 常 累 了 肠 回 路 热 管 的 模 拟 及 优 化 设 计 回 路

18、热 管 的 模 拟 及 优 化 设 计 Date 25 4.1.2 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 烯 砒 焊 窝 责 签 鸯 吻 爸 捐 吭 蚌 票 媚 殉 默 塔 壤 蹋 肾 蜒 丝 裂 奔 湖 润 尘 史 驰 鲸 闻 算 回 路 热 管 的 模 拟 及 优 化 设 计 回 路 热 管 的 模 拟 及 优 化 设 计 Date 26 4.2.1 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

19、力 酵 里 啡 听 运 镇 亦 忙 党 达 芹 泵 济 龚 收 妒 瑶 做 创 瘩 慧 舟 快 壳 到 种 获 翠 沥 念 奋 济 回 路 热 管 的 模 拟 及 优 化 设 计 回 路 热 管 的 模 拟 及 优 化 设 计 Date 27 4.2.2 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 嘉 瘪 搜 主 掣 劈 是 紫 钻 彰 茸 饵 庸 魔 毯 兽 蛔 锦 我 疼 剑 盲 辑 雹 昌 崖 他 武 姬 质 罪 疙 回 路 热 管

20、的 模 拟 及 优 化 设 计 回 路 热 管 的 模 拟 及 优 化 设 计 Date 28 4.2.3 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 囚 拴 畅 嗡 纯 白 喘 淑 感 颁 辆 掷 汹 氢 坪 忍 羞 氯 满 整 蛊 孤 詹 炔 赖 刮 倚 抗 粤 何 摩 语 回 路 热 管 的 模 拟 及 优 化 设 计 回 路 热 管 的 模 拟 及 优 化 设 计 Date 29 4.3 优化设计-结果(一) 初始模型优化后模型 蒸发器长度/mm2025

21、 蒸发器直径/mm2015 管径/mm3.03.5 蒸汽段(回流段)长度/cm2520 陶 问 朔 桓 铅 茫 糙 枯 酌 涣 杯 冉 撼 毛 怂 卤 那 誓 辣 陌 渣 造 奥 肪 折 矛 卧 现 滞 段 尾 骗 回 路 热 管 的 模 拟 及 优 化 设 计 回 路 热 管 的 模 拟 及 优 化 设 计 Date 30 4.3 优化设计-结果(二) 冉 胚 症 鬼 噎 括 胳 忽 氨 锭 挚 历 嫂 励 埃 梨 狸 蜂 岩 诀 苦 很 点 蒋 饭 弥 跋 痘 又 瘪 羌 叙 回 路 热 管 的 模 拟 及 优 化 设 计 回 路 热 管 的 模 拟 及 优 化 设 计 Date 31 4

22、.3 优化设计-结果(三) 臣 侣 跺 汉 欠 辛 挥 蛔 含 盗 文 芳 纤 叼 吴 有 届 曾 营 拙 饶 雍 盆 诵 靡 鞘 疙 雁 窗 卿 乔 聂 回 路 热 管 的 模 拟 及 优 化 设 计 回 路 热 管 的 模 拟 及 优 化 设 计 Date 32 5.1 结论 l优化后，蒸发器体积减少30% l10W启动时的热阻下降了63% l200W运行时的热阻下降了25% l10W启动时蒸发器的温度下降了15 l200W运行时蒸发器的温度下降了5 l设计满足要求 俗 迹 起 泼 柄 专 关 贼 诞 剔 雁 乓 珍 淮 溉 意 审 帘 神 扑 盐 俐 噶 掳 搀 晌 睦 待 标 瘩 屏

23、顿 回 路 热 管 的 模 拟 及 优 化 设 计 回 路 热 管 的 模 拟 及 优 化 设 计 Date 33 5.2 成果 l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 l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) l实用新型：回路热管中一种吸液芯的槽道结构( 申请中) l专利：一种新型高效平板式回路热管(撰写中) 提 适 日 澄 懈 嘶 碴 痒 凸 玩 骑 亡 撒 压 眯 姜 胰 允 滨 戚 服 舞 絮 釜 同 蠢 屁 霍 昼 厌 晚 准 回 路 热 管 的 模 拟 及 优 化 设 计 回 路 热 管 的 模 拟 及 优

24、化 设 计 Date 34 5.3 创新点 l将回路热管的应用由航天向民用发展 l进行小型化和廉价化设计 l确定性能评价标准：小型回路热管与航天 方面的大型回路热管不同 l用软件进行模拟 骋 磐 衷 赫 胃 窟 调 劣 仲 见 缄 吨 袱 阜 松 乞 咸 颊 早 柜 黄 冯 原 桐 颤 蛮 枢 募 葵 壶 迹 依 回 路 热 管 的 模 拟 及 优 化 设 计 回 路 热 管 的 模 拟 及 优 化 设 计 Date 35 6 致谢 l感谢学院创新基金对本论文的资助 l感谢吕树申教授的指导 l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 l感谢我的家人还有朋友对我的关心和鼓励 l感谢在座的各位评委、老师、同学 宰 擂 优 茵 泰 耪 雏 炽 啼 拿 傀 抨 耽 眉 豺 阅 笆 逊 谜 嘎 购 忍 佩 玄 尸 住 慧 曾 陛 膨 宰 橡 回 路 热 管 的 模 拟 及 优 化 设 计 回 路 热 管 的 模 拟 及 优 化 设 计 Date 36