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回路热管的模拟及优化设计

原文作者:
  莫冬传,吕树申
发布时间:
  2014-08-15
来    源:
  中山大学化学与化学工程学院
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摘要:本文致力于设计出以水为工质、传热量200W以上的小型回路热管,并应用SINDA/FLUINT对其进行模拟。主要研究回路热管的各种参数对其传热性能的影响并进行优化,模拟的结果显示优化后的回路热管有着更优异的传热性能。

一、前言
    伴随着科技的迅速发展,许多电子产品有着小型化、精致化的趋势,但由于对性能要求越来越高,相对使用的功率必定也越来越高。这样,电子组件表面的发热密度将迅猛增加,相应的热处理问题就变得十分尖锐。比较典型的此类电子组件有计算机CPU,VGA,南北桥芯片组或通讯组件PA等。如何在有限的空间解决这类散热问题,确保电子产品的正常操作成为了急需解决的关键技术问题和商业化需求。
    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。它利用蒸发器内的毛细芯产生的毛细力驱动回路运行,利用工质的蒸发和冷凝来传递热量,因此能够在小温差、长距离的情况下传递大量的热量,是一种高效的两相传热装置。
    由于回路热管有着良好的传热性能,回路热管在航天航空方面应用比较广泛,技术也比较成熟,但目前回路热管有着造价昂贵,装置庞大等缺点,使它的应用也主要是在航天航空方面[1]。如何将回路热管进行小型化,廉价化,从而广泛适用于民用,特别是电子芯片冷却方面[2][3][4],这是我们进行探讨的目的。
    文献提及回路热管传热性能的评价主要有四个指标,最低启动功率,最高运行功率,稳定操作温度以及回路的热阻。[3][5]其中稳定操作温度指蒸发器壁面在某一特定功率下稳定操作时的温度。我们认为这是评价用来电子芯片散热的回路热管的最重要的参数。因为稳定操作温度的高低直接影响着电子芯片的工作性能。本文的优化设计将以此为准则。
    本研究用到了一个软件----SINDA/FLUINT。该软件是由美国C&R公司开发的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有限差分、集总参数(回路与网络类型)软件。应用领域包括航空航天、电子、石油化工、生物医药、汽车等,在全世界有超过25个国家、500多个部门使用此软件。多年来,SINDA/FLUINT软件已经在航空航天业界提供给用户最可靠的传热与流体流动设计分析,为NASA(美国航天航空局)指定的热设计分析和流体流动分析软件。
    本研究的最终目的是要开发出适用于发热量大的电子芯片的散热用的回路热管,使用的工质为水,材料主要为铜,最大功率达到200W以上,电子芯片的工作温度不能超过85℃,同时设计出来的回路热管在尺寸方面尽量小。
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