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热管基础知识及热管设计要点

发布时间:2024年2月20日 | 文章来源:知乎 | 浏览次数:254 | 访问原文

热管在当前散热设计中常常使用,包括我们常见的笔记本电脑、手机等,都有热管。在设计热管时需要考虑以下因素:

  1. 热负荷或要传递的热量
  2. 工作温度
  3. 管材
  4. 工作液
  5. 毛细结构
  6. 热管的长度和直径
  7. 蒸发区的接触长度
  8. 补偿区的接触长度
  9. 方向
  10. 热管弯曲和平整的影响

可以使用什么材料来构造热管?

特定的工作流体只能在某些温度范围内起作用。而且,特定的工作流体需要相容的容器材料以防止流体与容器之间发生腐蚀或化学反应,因为腐蚀会损坏容器,并且化学反应会产生不可冷凝的气体。表1说明了过去研究,实验和商业生产中热管的典型运行特性。例如,液氨热管的温度范围为-70至+60˚C,并且与铝,镍和不锈钢兼容。液氨热管已被广泛用于空间,并且由于其重量较轻而仅使用铝制容器。水热管的温度范围为5到230°C,对于电子冷却应用最为有效,铜制容器与水兼容。当热管温度低于工作流体的凝固点时,热管将不起作用。冻结和解冻是一个设计问题,在垂直放置时可能会破坏热管的密封接头。适当的工程和设计可以克服此限制。

热管的典型工作特性

什么是毛细结构?它如何影响热管的性能?

热管有四种常见的毛细结构,包括凹槽,丝网,烧结粉末金属和纤维。毛细结构衬在热管容器的内壁上,并允许液体通过毛细管作用从热管的一端流到另一端。每个毛细结构都有其优点和缺点。没有完美的毛细结构。每个毛细结构都有其自身的极限。

  • 凹槽毛细结构
  • 毛细管极限最低,但在冷凝器位于蒸发器上方的重力辅助定向下效果最佳。
  • 丝网毛细结构
  • 具有最均匀的棉芯,其工作原理是在蒸发器位于冷凝器上方的重力方向上进行。
  • 烧结粉末金属毛细结构
  • 在重力方向下效果最佳。由于烧结粉末金属芯通过金属结合到管壁上,因此它从管壁到芯的传导热传导或反之亦然,是四种常见芯中最好的
  • 纤维毛细结构
  • 最适合小半径弯曲

图1描绘了四种毛细结构的性能。可以看出,凹槽型热管在四个毛细管中的毛细极限最低,但在重力辅助条件下效果最好。

长度和直径如何影响热管的性能?

冷凝器和蒸发器之间的蒸汽压差决定着蒸汽在冷凝器和蒸发器之间传播的速率。另外,热管的直径和长度会影响蒸气的传播速度,因此在设计热管时必须加以考虑。热管的较大横截面积(即热管的较大直径)将允许将较大的蒸汽量从蒸发器传输到冷凝器。热管的截面积是热管的声波极限和夹带极限的直接函数。但是,热管的工作温度也会影响热管的声波极限。图2比较了不同直径热管的热传递。可以看到,热管在较高的工作温度下传输更多的热量。

工作流体从冷凝器返回蒸发器的速率受毛细管极限的控制,并且是热管长度的倒数函数。较长的热管比较短的热管传输更少的热量。

图3表示直径为6mm的铜水烧结粉末金属芯热管在各种长度和方向上传输的热量。

方向如何影响热管的性能?

毛细极限较高的结构可克服重力将更多的工作流体从冷凝器传输到蒸发器。但是如前所述,具有最高毛细管极限的烧结粉末金属芯吸热管在重力辅助条件下(蒸发器位于冷凝器上方)效果最好。图3显示了重力对烧结粉末金属热管的影响。

热管弯曲如何影响性能?

如果热管弯曲,则可以相对于弯曲半径和每个弯曲角度减小声极限和夹带极限。如果弯曲半径太紧,则灯芯可能会破裂(粉末金属烧结)或塌陷并被夹住(丝网)。因此,热管的弯头可能会减少可传输的热量。图4说明了直径为6mm x 300mm长的热管的蒸发器和冷凝器之间的温差的实验结果,该热管以30°的弯曲间隔从笔直弯曲到180°U弯曲。弯曲半径是Enertron建议的最小弯曲半径,是管道直径的3倍或18 mm。实验结果证明,如果弯曲半径等于或大于3倍,则弯曲不会影响性能。

热管打扁如何影响热管的性能?

如果将热管压扁,则相对于压扁的厚度,声极限和夹带极限将减小。因此,对热管的过度扁平化将减少可传输的热量,甚至完全阻塞蒸汽通过。右图显示了一个烧结的粉末金属芯吸热管,该管过平并且蒸汽通道被阻塞。图5说明了直径为6mm的300mm长的热管的蒸发器和冷凝器之间的温度差的实验结果,该温度差是圆形的,扁平化为3.5mm和2.5mm的厚度。该实验结果证明,适当的打扁不会影响性能,但是过度打扁会影响性能。如果打扁后蒸汽通道厚度大于 2mm,则与圆形管道相比,性能不会降低。

热管平均工作温度如何影响性能?

热管的平均工作温度会影响热管的性能。平均温度越高,性能越好。这是由于在较高温度下工作流体的粘度较低,这使得更多工作流体能够通过冷凝器从蒸发器流到油芯。在更高的温度下,工作流体也可以更易挥发地变成气态。图6显示了通过测试6mm直径乘250 mm长的铜水烧结粉末金属芯热管的实验结果。通过改变冷凝器的冷却液温度并将方向从-90度(相对重力)更改为+90度(辅助重力),将30瓦热量输入到蒸发器中,

热管可靠吗?

热管没有活动部件,可靠性非常高。但是,在设计和制造热管时必须小心。两个制造因素会降低热管可靠性:密封性和清洁度。热管中的任何泄漏最终都会使热管失效。如果内部腔室没有彻底清洁,则当热管受热时,残留物将产生不可冷凝的气体并降低管的性能。管道弯曲和展平不当也会导致管道密封件泄漏。有一些外部因素也可能缩短热管的寿命,例如冲击,振动,力冲击,热冲击和腐蚀环境。

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