11.熱管Heat Pipes
熱管
熱管是一種把熱量被動的從一個地方傳到另一個地方的設備
熱管的工作原理是基于工作流體的沸騰和壓縮
–流體在管的一端(稱為evaporator)蒸發,在另一端(稱為condenser)壓縮
Evaporator部分連接熱源,condenser部分一般連接散熱器
蒸汽依靠兩個部分存在的壓強差從evaporator端流動到condenser端
流體再由于毛細管作用通過wick從condenser端流回evaporator端

熱管
熱管的熱導率遠遠高于固體材料
熱管設計的主要考慮因素是材料的選擇
–工作流體的溫度范圍和傳熱能力可以接受
–為了避免腐蝕,wick和管的材料必須和流體無相互作用
要從元件傳導出去的熱量不應該超過熱管的能力
–這可能導致流體的蒸發速度大于回流的速度
–這可能導致wick干枯,進而導致傳熱能力的喪失
熱管Vapor flowHeat additionHeat rejectionInsulationWick (liquid) flow

熱管Heat Pipe Material-Fluid CompatibilityPipe MaterialFluid
熱管工作流體常用具有高表面張力的液體,因為這樣的液體具有很強的毛比細管抽吸作用能力和可濕性
對熱管工作流體在熱物理性質方面的要求包括:
–液體熱導率高
–蒸發潛熱高
–液體粘性小
–蒸汽粘性小
常用的熱管工作流體有:
–甲醇
–水
–鉀

熱管可以設計在大的溫度范圍內工作:
–低溫(< -243 C), 鈦合金/氮熱管
–高溫(> 2000 C), 鎢/銀熱管
–電子散熱(< 125 C), 銅/水熱管
–低于0 C 的冷卻問題,銅/甲醇熱管
Wick可以是均勻類型的或復合類型的
–均勻類型的wicks由一種材料構成
–復合類型的wicks由兩種或多種材料構成

常用的均勻類型的wick 是axial groves, wrapped screen, cables/fibers和sintered powder metal:
–Grooved wick具有大小孔半徑,高滲透性,但是抽吸頭低(pumping head)
–金屬粉末型wicks具有have small pore radii and relatively low permeability, but can transfer large heat loads against

gravity
熱管相對于其它類型散熱器的優點:
–Heat is transferred isothermally over relatively short distances
–Weight is usually lower
–Thermal response time is fast
–Maintenance is low

熱管建模
可以使用有效熱導率方法對熱管建模
在這種方法中,熱管作為一個高軸向熱導率的固體棒建模
一般有效軸熱導率的范圍在2e+4--5e+4 W/mK
軸熱導率必須足夠大才能和熱管真正的軸向熱流匹配
非軸向的熱導率可以和熱管材料的熱導率相同

有效軸向熱導率可以近似為:
Keff= L/(AR)
L = 熱管長度
A = 熱管總截面面積
R = 熱管的總熱阻
= 在0.1-0.2 C/W量級

熱管建模K~20,000 W/mKK~200 W/mkInsulation (non-conducting plates)
有效熱導率方法Non-isotropic material
熱管建模熱阻的影響
熱管的有效熱阻為單位功率熱管的溫降:
Reff= ΔT/P
有效熱阻是以下幾種熱阻之和:
–壁面的傳導熱阻
–Wick的傳導熱阻
–Evaporation熱阻
–蒸發流動阻尼
–Condensation熱阻
–冷凝流動阻尼

熱管建模熱阻的影響
對于具有金屬顆粒型wick的銅/水熱管的相關熱阻如下:
–0.2 C/W/cm2 蒸發和冷凝熱阻
–0.02 C/W/cm2for the axial resistance
例如,一個銅/水熱管給定:
–外直徑= 1 cm
–內直徑= 0.75 cm
–總長= 20 cm
–Evaporator長度= 3.5 cm
–Condenser長度= 3.5 cm
–功率耗散= 50 W
通過熱管的總溫降計算如下:
–通過evaporator壁面的熱流= 4.5 W/cm2
–通過condenser壁面的熱流= 4.5 W/cm2
–軸向熱流= 113.2
–總溫降= 4.5x0.2 + 113.2x0.02 + 4.5x0.2 = 4.1 C
熱管建模流體特性Temp, CLatentHeat(kJ/kg)LiquidDensity(kg/m3)VaporDensity(kg/m3)Liquidthermalcond.(W/mC)LiquidViscosity

(cP)VaporViscosity(cP, x100)VaporPressure(bars)VaporSp.Heat(kJ/kgC)LiquidSurfaceTension(N/m X 100)-
甲醇熱學特性

水熱學特性 鉀熱學特性

Icepak資料下載:  Icepak高級建模(456頁).pdf

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