0引言

熱管是一種具有極高導(dǎo)熱性能的傳熱元件,1964年發(fā)明于美國洛斯-阿洛莫斯國家實(shí)驗(yàn)室,上世紀(jì)70年代開始在工業(yè)領(lǐng)域大量應(yīng)用?它通過在全封閉真空管內(nèi)工質(zhì)的汽?液相變來傳遞熱量,具有極高的導(dǎo)熱性,高達(dá)純銅導(dǎo)熱能力的上百倍,有“熱超導(dǎo)體”之美稱?工藝過關(guān)?設(shè)計(jì)出色的熱管CPU散熱器,將具有普通無熱管風(fēng)冷散熱器無法達(dá)到的強(qiáng)勁性能?傳統(tǒng)的散熱器采用的工質(zhì)主要是制冷劑?水或者空氣,要使這些工質(zhì)流動(dòng),就必須安裝泵或者風(fēng)機(jī),耗電大,另外管路中有雜質(zhì)進(jìn)入,造成泵或者風(fēng)機(jī)的磨損,維護(hù)維修費(fèi)用大?而熱管散熱器是利用熱管的良好傳熱性制作,具有結(jié)構(gòu)緊湊?傳熱量大?安裝方便和維護(hù)量小等特點(diǎn)?

1熱管散熱器工作原理

熱管技術(shù)的原理和普通的散熱器不同,熱管主要是利用工質(zhì)的蒸發(fā)與冷凝來傳遞熱量?熱管一般是由管殼?吸液芯和工質(zhì)三個(gè)部分組成?將管內(nèi)抽至較高的真空度后充以適量的工質(zhì),使得緊貼管內(nèi)壁的吸液芯毛細(xì)多孔材料中充滿液體后加以密封?熱管有兩端,分別為蒸發(fā)端(加熱端)和冷凝端(散熱端),兩端之間需要采取絕熱措施?當(dāng)熱管的一端受熱時(shí)(即兩端出現(xiàn)溫差時(shí)),毛細(xì)芯中的液體蒸發(fā)汽化,蒸汽在壓差之下流向另一端放出熱量并凝結(jié)成液體,液體再沿多孔材料依靠毛細(xì)作用流回蒸發(fā)端?

2熱管散熱器的分類和特點(diǎn)

按照工作溫度,熱管可以分為:

(1) 深冷熱管:工作溫度范圍為(100~200)K,工質(zhì)可選用氦?氬?氮?氧等?

(2)低溫?zé)峁?/span>:工作溫度范圍為(200~250)K,工質(zhì)可選用水?氟利昂?氨?酒精?丙酮等物質(zhì)?

(3)中溫?zé)峁?/span>:工作溫度范圍為(550~750)K,工質(zhì)可選用導(dǎo)熱姆A?水銀?硫?銫等物質(zhì)?

(4)高溫?zé)峁?/span>:工作溫度范圍大于750K,工質(zhì)可選用鉀?鋰?鋁?銀等高熔點(diǎn)的液態(tài)金屬?

熱管散熱器的特點(diǎn):

(1) 利用工質(zhì)的相變傳熱,傳熱能力高?

(2) 熱管內(nèi)蒸汽處于飽和狀態(tài),均溫特性好?

(3) 具有可變換熱流密度特性?

(4) 具有良好的恒溫特性?

3電子設(shè)備熱管散熱器的設(shè)計(jì)

①熱管的設(shè)計(jì)要求

(1) 工作溫度:根據(jù)電子設(shè)備?電子器件及整機(jī)的溫度控制要求,熱管的工作溫度一般為-50℃~200℃?

(2) 發(fā)熱量:根據(jù)器件的發(fā)熱功率和工作環(huán)境條件確定熱管所需傳遞的功率?

(3) 熱特性:按照電子器件發(fā)熱功率的大小和溫度控制的要求(均溫?恒溫或控溫)來設(shè)計(jì)蒸發(fā)端?冷凝端?吸液芯和管殼的幾何形狀?尺寸?

(4) 工作環(huán)境:根據(jù)電子設(shè)備的工作環(huán)境條件(如陸地?海面或高空等)來估計(jì)重力場對(duì)熱管工作的影響,同時(shí)確定冷凝端與冷卻介質(zhì)的連接方式?

(5) 結(jié)構(gòu)尺寸:根據(jù)用戶提供的熱管外形尺寸?重量等要求進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)?

②工質(zhì)選擇

(1) 選擇要求

工質(zhì)的工作溫度范圍在工質(zhì)的凝固點(diǎn)與臨界溫度之間,以接近工質(zhì)的沸點(diǎn)為宜;選用的工質(zhì)無毒?不易爆?使用安全;工質(zhì)與管殼材料及吸液芯應(yīng)相容,對(duì)熱管的安全工作和可靠性不產(chǎn)生有害的影響;工質(zhì)的品質(zhì)因素高;重力場條件下的熱管,工質(zhì)的選用應(yīng)考慮毛細(xì)力的提升高度?

(2) 適合電子設(shè)備用的熱管工質(zhì)有甲烷?氨?氟利昂?丙酮?甲醇?乙醇?庚烷?水和導(dǎo)熱姆A等?

③吸液芯的選擇

吸液芯的結(jié)構(gòu)和性能是決定熱管性能的關(guān)鍵因素?吸液芯的類型主要有均勻吸液芯和組合式吸液芯?對(duì)吸液芯的主要要求是起到一個(gè)有效的毛細(xì)泵作用,在流體和吸液芯結(jié)構(gòu)之間產(chǎn)生的表面張力必須大到能克服管內(nèi)的全部粘滯壓降和其他壓降,還要維持所要求的流體循環(huán)?因?yàn)闊峁艹３Ｒ谡舭l(fā)段比冷凝段高的重力場中工作,所以吸液芯把工質(zhì)提升的高度應(yīng)等于或大于在蒸發(fā)段和冷凝段之間的最大高度差?這個(gè)高度具有矛盾性,一方面為了使吸液芯內(nèi)粘滯損失最小,希望毛細(xì)孔尺寸大;而另一方面為了提供足夠的毛細(xì)力和最大提升高度,又希望毛細(xì)尺寸小,應(yīng)采取毛細(xì)尺寸最佳化的處理方法?

除上述工作特性外,還必須考慮以下幾方面的要求:

(1) 與工質(zhì)和管壁材料應(yīng)相容;

(2) 具有較高的滲透率且傳熱性能好;

(3) 應(yīng)具有足夠的剛性,以保證吸液芯和管壁緊密接觸;

(4) 便于加工,性能可靠,經(jīng)濟(jì)性好?

④管殼設(shè)計(jì)

(1) 材料

電子設(shè)備熱管用的管殼材料主要有紫銅?無氧銅?鋁合金?不銹鋼等?管殼材料應(yīng)與工質(zhì)相容;濕潤性良好;導(dǎo)熱系數(shù)高;具有足夠的機(jī)械強(qiáng)度和良好的機(jī)加工性能?

(2)管殼結(jié)構(gòu)

a. 壁厚:由于管殼需要承受工質(zhì)蒸發(fā)時(shí)所產(chǎn)生的蒸汽壓力,因此需對(duì)管殼的強(qiáng)度進(jìn)行校核,以保證熱管安全工作?對(duì)于壁厚的要求是傳熱欲其薄,強(qiáng)度欲其厚?兩者雖有矛盾,但都需考慮,在保證強(qiáng)度的條件下用最薄的?

b. 外壁結(jié)構(gòu):外壁結(jié)構(gòu)可以是光滑的,或者是翅片的,根據(jù)需要和可能來決定,翅片形式可以參考一般散熱器的外翅片結(jié)構(gòu)?

c. 管殼:管殼多數(shù)為圓柱體,封頭多數(shù)為平板深直口型?管筒和封頭之間的連接用焊接,焊口常用對(duì)接?在工以上,氬弧焊和氫保護(hù)焊可保證焊接質(zhì)量?

d. 熱管的接長:利用環(huán)箍熱管連接法?將兩根被連接的熱管的端部,分別插入一個(gè)環(huán)箍熱管的兩端?這樣,熱管便可通過環(huán)箍這個(gè)中間熱管而傳遞過去?被連接熱管與環(huán)箍熱管之間的接觸情況和接觸面積是影響其熱量傳遞的重要因素?

4結(jié)束語

電子設(shè)備熱管散熱器的設(shè)計(jì)首先應(yīng)根據(jù)設(shè)計(jì)技術(shù)要求,選擇合適的工質(zhì)?吸液芯?管殼,然后進(jìn)行傳熱量校核,最后通過試驗(yàn)驗(yàn)證熱管散熱器設(shè)計(jì)的合理性?

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