回路热管的模拟及优化设计

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。
传热原理：工质相变
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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
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1.2.3 回路热管的优点
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。
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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 本文要求电子芯片有一个正常工作的温度范围。
R tE tc Q
式中：R为热阻， TE为蒸发器的温度 t c 为冷凝段的平均温度 Q为回路的传热量。
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R/(K*W-1)
2.0
Resistance
随着功率的增大，回路的热阻逐渐
1.5
减小，并且趋向平缓。
1.0
200W时的热阻约为0.1K/W
一般的电子散热装置的热阻只能
0.5
达到0.5 K/W左右
蒸汽点的温度几乎不下降， 但传热系数大，相变传热
65
60 55
液体点的温度下降较大，但
50
传热系数小，对流传热
45
40
证明回路热管主要利用相变
35 30
进行热量传递
25
20
UA. power = 80W
15
UA. power = 120W
10
UA. power = 150W
5
0
-1
2
0
2
4
6
8
10
12
No.
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
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4. 优化设计
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
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
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3.1 模型介绍----总体流体模型
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3.2 模型介绍----总体热模型
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3.3 模型介绍---蒸汽段的流体模型
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3.4 模型介绍----回流段的流体模型
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3.5 模型介绍----冷凝段的流体模型
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2.6 模型介绍----散热板的热模型
hBaidu Nhomakorabea
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3 结果分析
➢ 温度随功率的变化 ➢ 回路的热阻 ➢ 冷凝段的换热
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20 优化
3.1 结果分析—--温度随功率的变化
85
80
随负荷端的 功率上升， 7 5 蒸发器的壁
70
温和负荷端 的温度几乎 6 5 线性上升。
60
55
50
0
T /?
E vaporator P a ylo a d
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
50
100
150
200
pow er/W
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3.2 结果分析—--回路的热阻
热阻的计算方法：
而芯片烧毁时回路热管可能还远远到达不了烧 毁。
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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。
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)
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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。
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模型
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
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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。
0.0 0
50
100
150
200
power/W
回路热管在传热方面性能优异
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3.3 结果分析—--冷凝段的换热
T /?
U A / ( W ** K m ) o r
80 75 70
Tem p. power = 80W Tem p. power = 120W Tem p. power = 150W
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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。
R tE tc Q
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热阻。
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为NASA(美国航天航空局)唯一指定热和 液体流动分析的软件
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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
回路热管的模拟及优化设计
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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
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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
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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
➢ 管路：蒸汽段(回流段)长度、冷凝段长度、管径
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