换热器原理与设计电子设备散热新技术PPT课件

1、第六章 热电半导体制冷器第1页/共55页 半导体制冷又称热电制冷，或者温差电制冷，是从50年代发展起来的一门介于制冷技术和半导体技术边缘的学科。 它利用特种半导体材料构成的P-N结，形成热电偶对，产生珀尔帖效应，即通过直流电制冷的一种新型制冷方法，与压缩式制冷和吸收式制冷并称为世界三大制冷方式。第2页/共55页第3页/共55页pQI第4页/共55页第5页/共55页sdEdT 21TsTEdT 第6页/共55页TdQIdT 第7页/共55页2JQI RFAQtl第8页/共55页制冷器冷端净吸热的基本方程212cQITI RK T22212ccQITfI RTITI RI R第9页/共55页第10

2、页/共55页第11页/共55页第12页/共55页第13页/共55页 半导体温差电片件应用范围有：制冷、加热、发电，制冷和加热应用比较普遍，有以下几个方面：1 1、军事方面：导弹、雷达、潜艇等方面的红外线探测、导行系统。2 2、医疗方面；冷力、冷合、白内障摘除片、血液分析仪等。3 3、实验室装置方面：冷阱、冷箱、冷槽、电子低温测试装置、各种恒温、高低温实验仪片。4 4、专用装置方面：石油产品低温测试仪、生化产品低温测试仪、细菌培养箱、恒温显影槽、电脑等。5 5、日常生活方面：空调、冷热两用箱、饮水机、电子信箱、电脑以及其他电器等。第14页/共55页第七章 热管散热器第15页/共55页7.1 概述

3、第16页/共55页7.2 热管的类型及其工作原理第17页/共55页第18页/共55页cvglpppp第19页/共55页二.两相闭式热虹吸管 两相闭式热虹吸管又称为重力热管。 与普通热管原理一样，但不同的是热管内没有吸液芯，冷凝液的回流主要是靠自身的重力作用，因此，热虹吸管的作用有一定的方向性：冷凝段位置必须高于蒸发段。其结构简单、制造方便、成本低廉、而且传热性能优良、工作可靠，因此在地面上的各类传热设备中都可以作为高效传热元件，其应用领域非常广泛。两相闭式热虹吸管第20页/共55页三.旋转热管 旋转热管的概念是由Gray于1969年首次提出的。旋转热管的显著特征是热管自身是旋转件，因而可以用于

4、所有需要冷却散热的旋转零部件，如电机转子，发动机电动机转轴等的冷却，具有实际应用价值。第21页/共55页四.分离式热管 分离式热管结构示意图 分离式热管的结构如左图所示，其蒸发段和冷凝段是分开的，通过蒸汽上升管和液体下降管连通形成一个自然循环回路。 分离式热管的冷凝段必须高于蒸发段，液体下降管与蒸汽上升管之间会形成一定的密度差，这个密度差所能提供的压头与冷凝段和蒸发段的高度差密切相关，它用以平衡蒸汽流动和液体流动的压力损失，维系着系统的正常运行而不再需要外加动力。 分离式热管最大的特点是冷凝段和蒸发段可以较远距离安装，从而使得冷热流体完全隔离，避免了相互渗漏的问题 ，安全性能较经典热管大为提高

5、。第22页/共55页第23页/共55页第24页/共55页六.微型热管及小型热管微型热管横截面示意图 定义：微型热管被定义为液汽交界面的平均曲率在数量上和液体总流通截面水力半径的倒数相当的一种热管。典型的微型热管有凸面、锐角的截面(例如多边形)，水力半径范围为10500m。其典型横截面形状如上图所示。对于小型热管，其最小截面直径为1mm数量级。第25页/共55页七、毛细泵回路 热管作为高效的传热元件已广泛应用于各个领域，然而在地面上，如果热管的蒸发段位于冷凝段之上，其传热能力就将受到限制，毛细泵回路可以解决这一问题，其基本工理与普通热管的基本原理相似，但其可处于任何位置长距离有效换热。 其概念首

6、先是由美国NASA Lewis研究中心的Stenger于1966年提出的，可有效地用于小温差、长距离、无附加动力的热量回收，也可用于航天器的热管理系统，并可能使大型航天器的热管理系统出现巨大的变革。 第26页/共55页毛细泵回路以其独特的工作方式工作，具有以下工作特点： (1)具有较高的传热能力 (2)具有优良的控温特性(3)热分享特性(4)压力灌注特性 (5)热二极管特性 毛细泵回路的研究已经成为目前研究的热点之一，它在空间站、现代通讯卫星、大功率宇宙飞船、电子元器件的冷却方面都有着广阔的应用前景。第27页/共55页7.3 普通热管的 传热性能第28页/共55页第29页/共55页第30页/共

7、55页吸液芯工质的容积吸液芯总容积第31页/共55页 WntQR91 K/WnnRR第32页/共55页热管的传热极限 从图中可以看出：当工作温度低时，最易出现粘性极限及声速极限。 而在高温下则应防止出现毛细极限及沸腾极限。故热管的工作点必须选择在包络线的下方。 第33页/共55页什么叫连续流动极限？ 对于小热管，如微型热管，以及工作温度很低的热管，热管内的蒸气流动可能处于自由分子状态或稀薄、真空状态。这时，由于不能获得连续的蒸气流，传热能力将受到限制。什么叫冷冻启动极限？ 在从冷冻状态启动过程中，蒸发端来得蒸气可能在绝热段或冷凝段再次冷冻，这将耗尽蒸发段来的工作介质，导致蒸发段干涸，热管无法正

8、常启动工作。 什么叫黏性极限？ 在蒸汽温度低时，工作流体的蒸汽在热管内的流动受粘性力支配，即热管中蒸汽流动的粘滞阻力限制了热管的最大传热能力。粘性极限只与工质物性、热管长度和蒸汽通道直径有关，而与吸液芯的几何形状和结构形式无关。 什么叫声速极限？ 热管中的蒸汽流动类似于拉伐尔喷管中的气体流动。当蒸发段温度一定，降低冷凝段温度可使蒸汽流速加大，传热量因而加大。但当蒸发段出口汽速达到声速时，进一步降低冷凝段温度也不能再使蒸发段出口处汽速超过声速，因而传热量也不再增加，这时热管的工作达到了声速的极限。第34页/共55页什么叫冷凝极限? 冷凝极限指通过冷凝段汽-液交界面所能传递的最大热量。热管最大传热

9、能力可能受到冷凝段冷却能力的限制，不凝性气体的存在降低了冷凝段的冷却效率。什么叫沸腾极限? 热管工作中当其蒸发段径向热流密度很大时，将会使管芯内工作液体沸腾。当径向热流密度达到某一临界值时，对于吸液芯的热管，由于所发生的大量汽泡堵塞了毛孔，减弱或破坏了毛细抽吸作用，致使凝结液回流量不能满足蒸发要求。 什么叫携带极限? 热管中蒸汽与液体的流动方向相反，在交界面上二者相互作用，阻止对方流动。液体表面由于受逆向蒸汽流的作用产生波动，当蒸汽速度高到能把液面上的液体剪切成细滴并把它带到冷凝段时，液体被大量携带走，使应当通过毛细芯返回蒸发段去的液体不足甚至中断，从而造成蒸发段毛细芯干涸，使热管停止工作，这

10、就达到了热管的携带传热极限。 什么叫毛细极限? 在热管运行中，当热管中的汽体液体的循环压力降与所能提供的最大毛细压头达到平衡时，该热管的传热量也就达到了最大值。如果这时加大蒸发量和冷凝量，则会因毛细压头不足使抽回到蒸发段的液体不能满足蒸发所需要的量，以致会发生蒸发段吸液芯的干涸和过热。导致壳壁温度剧烈升高，甚至“烧毁”。第35页/共55页热管的相容性及寿命(1)产生不凝性气体 (2)工作液体物性恶化 (3)管壳材料的腐蚀、溶解第36页/共55页热管研究的关键技术 （1）温度展平（均温技术）（2）汇源分隔 （3）变换热流密度 （4）热控制(可变导热管) （5）单向导热(热二极管) （6）旋转元件

11、的传热(旋转热管)（7）微型热管技术 （8）高温热管技术 第37页/共55页7.4 热管设计第38页/共55页第39页/共55页第40页/共55页第41页/共55页第42页/共55页第43页/共55页第44页/共55页第45页/共55页第46页/共55页第47页/共55页第48页/共55页第49页/共55页第50页/共55页管径设计 管径设计的一个基本原则就是管内的蒸汽速度不超过一定的极限值，这个极限值就是在蒸汽通道中最大马赫数不能超过0.2，这时蒸汽流动可以被认为是不可压缩的流体流动，轴向温度梯度很小，可以忽略不计。 管壳设计热管部工作时，一般处于负压状态（低温热管除外），外界压力一般为大气压力，故可以不考虑管壳失稳的问题，因而管壳的设计主