小熱管換熱器

小熱管換熱器是熱管換熱器的一種，主要用於小空間內大功率電子元器件的散熱問題的解決，與傳統散熱方式相比,小熱管換熱器在這方面占有很大優勢,實踐證明,小熱管散熱器與鋁板散熱器相比,其質量可以減輕50%,可節省60%的有用空間。

基本介紹

• 中文名：小熱管換熱器
• 外文名：Small heat pipe heat exchanger
• 套用領域：電子元器件散熱
• 所屬學科：熱力學
• 所屬門類：熱管換熱器
• 器件優點：占用空間小、散熱效率高

背景簡介

近年來，電子技術迅速發展，電子元器件發展方向是：高功率密度、高可靠性、高效率，以實現體積微小化。與此同時，電子元器件的封裝密度也隨之大幅度地增長，導致單位面積上的功率消耗密度不斷增大。為了使電子裝置正常進行，需要使裝置內電子元件維持在一定的溫度範圍內運轉，因此，快速導出裝置內產生的熱量即成為封閉小空間電子元件散熱設計的重要課題。採用自然對流散熱顯然已不能滿足當今高密度封裝的可靠性;強迫對流冷卻技術，被廣泛的用於多種電子系統，為了提高強迫氣流的效果可以增大散熱片尺寸和氣流速度，但對不斷發展的電子器件還是很無能為力的。顯然，依靠傳統的散熱方式已無法滿足要求，採用熱管散熱技術對封閉小空間電子器件進行溫度控制的方法已引人注目，其主要優點是:

(1)具有良好的環保意義，熱管管內以純水為工作介質，管外以空氣為熱源與熱匯介質;

(2)顯著的散熱效果，熱管技術具有快速熱回響性和高效性;

(3)質量輕、結構緊湊，通過最佳化設計可使熱管散熱器結構儘可能微小化，以實現充分有效利用空間。

由於此類系統具有溫差小，能量回收不大，設計難度大，尤其對小型熱管換熱器內部流動與傳熱分析研究尚未見深入報導。本文從數值模擬、實驗方面進行系統、深入的研究，意在為封閉空間內熱管換熱器大批量工業化生產提供理論依據。

工作原理

熱管由金屬外殼和傳熱工作液組成，管內抽真空(有些熱管的金屬管內設有幫助工作液流動的芯子)。其工作原理是，當熱管蒸發段被加熱時，工作液吸收管外熱量汽化，並從蒸汽腔流向冷凝段，蒸汽到冷凝段後遇冷，放出潛熱液化，再流回蒸發段，從而使冷凝段外部的冷源溫度提高。即在工作液的一個循環中使熱量由熱源傳到冷源。小熱管換熱器與吸液芯熱管結構原理相似，它由管殼、端蓋、吸液芯、管外肋片、管端排氣管及管內工質6個部分組成。熱管的一端為蒸發段，另一端為冷凝段。當熱管的蒸發段受熱時，經管壁傳到吸液芯中，液態工質便汽化、蒸發，藉助壓差使蒸氣經熱管的中心通道而迅速傳到冷凝段，在此蒸氣凝縮成液體，釋放出潛熱。在吸液芯的吸力作用下，液態工質又回到蒸發段。通過這種“蒸發—傳輸—冷凝”的反覆循環而傳遞熱量。熱管還包括位於蒸發段和冷凝段之間的流體傳輸段(或稱絕熱段)，作為流體通道。熱管實際上是蒸發-冷凝與毛細吸力作用相結合的一種新型傳熱元件。圖為吸液芯熱管的結構及工作原理。

吸液芯熱管的結構及工作原理圖

影響因素分析

冷風流量

熱風風溫降低通過冷風冷卻實現,增大冷風流量,加大冷風流速,既可提高冷卻段對流傳熱係數,又可增大單位時間的散熱量,因此冷風流量是影響小熱管換熱器散熱效能的重要因素。

傾角

由於小熱管是靠管內工質在熱管蒸發段與冷凝段之間交替相變而傳熱,在蒸發段時吸熱為氣相,流至冷凝段時被冷卻為液相,之後又藉助重力或吸液芯的毛細抽力回到蒸發段,來回往復以實現連續循環工作,所以小熱管的傳熱功率不是無窮大,而是存在某一極限,被稱為毛細極限功率,計算公式見下式：

Q = ΔP_cap,_max − ρ₁gdvcosθ ± ρ₁gsinθ(F_l+F_v)l_eff

式中Q和l_eff -- 毛細極限功率以及熱管有效長度;
ρ₁、F_l、F_v和g -- 熱管管內液體工質的密度、摩擦因數、蒸汽工質的摩擦因數和重力加速度;
ΔP_cap,max -- 最大毛細力。
公式表明,在不同傾角下,小熱管的毛細極限功率不同,因而傾角也是影響小熱管換熱器散熱效能的重要因素。

套用領域

熱管換熱器套用領域主要包括兩大類:餘熱回收與各類機械、電子電器設備散熱。各類機械、電子電器設備的散熱套用中，評價熱管換熱器性能的指標除了換熱器的總換熱係數外，還強調熱管換熱器的散熱效能，即在一定的冷、熱風進口溫度下熱風溫度的降低程度。對於常用的翅片管而言，管內熱阻與管外翅片的接觸熱阻及管外空氣側的熱阻比約為2∶1∶7。管外換熱是制約換熱器散熱效能的主要因素，管外的對流換熱主要受翅片結構、尺寸以及翅片管束間流體流速的影響，而小熱管換熱器則多用在氣 -氣換熱場合。