回路热管的模拟及优化设计
环路热管结构设计及性能分析
环路热管结构设计及性能分析工作机理，熟悉环路热管性能与结构之间的理论关系，选择工质及系统材料（主要是毛细吸液管芯和金属材料），分析计算环路热管的各类极限并对环路热管相关部件进行校核，分析环路热管的热性能。
1环路热管组成和工作原理环路热管（LHP）通常由五个主要部件组成：蒸发器、冷凝器、补偿室、蒸汽管、液体管。
蒸发器是结合毛细吸液管芯和蒸汽通道的最重要部件。
LHP与传统热管的一个重要区别是，环路热管（LoopHeatPipe，LHP）只在蒸发器的内部放置毛细吸液管芯，而我所了解的普通热管在整个管道中都有毛细吸液管芯。
如图1所示。
根据蒸发器的结构，液压泵可分为圆柱形和扁平两种。
平板的LHP很容易与热源结合，以降低热接触电阻。
圆柱形的可以在不同面进行换热，尤其是在反重力的环境中。
环路热管的主要工作原理：当蒸发器从热源加热时，内部工作介质蒸发，产生的蒸汽沿着蒸汽流动路径排出，并通过蒸汽管道进入冷凝器。
物料通过流体管路返回补偿室，补偿室中的液体工作介质经过毛细吸液管芯的毛细吸液管吸入，从而进入蒸发器内部进行两次蒸发，这个循环的过程就是一个换热循环。
可以看出区别在于操作模式的配置。
独特的气液两相流LHP大大减少了传统热管的传热问题，但对毛细吸液管芯提出了更高的要求。
2环路热管的工作极限受其工作原理或施工设备的影响，热管回路在运行过程中会出现速度限制、沸腾限制、黏度限制和传动限制。
①声速极限：随着热负荷的增加，系统中产生的蒸汽量增加。
最大蒸汽流量出现在蒸发器的出口。
当蒸汽流速超过局部声速时，回路热管的传热效率达到极限。
随着负载的增加，由于蒸发器温度过高，回路的热管会崩溃;②沸点：热负荷高时由于蒸发器壳的热导率和毛细吸液管芯的反向漏电，毛细吸液管芯的内部工作流体也会蒸发，生成的泡沫防止毛细吸液管冷凝回流，降低吸水能力的核心;③黏度极限：当蒸发器的输入功率或温度较低时，正工作液的驱动力小于工作液的黏性阻力，回路热管不能正常工作。
回路热管的模拟及优化设计
回路热管的模拟及优化设计莫冬传，吕树申*(中山大学化学与化学工程学院，广州，510275)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。
关键词：回路热管，SINDA/FLUINT，模拟，优化一、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Y u.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。
回路热管
灯具传热模型
利用回路式热管(LHP)远距离传热特性， 如展示件所呈现，将LED灯（热源）所释 放的热借由回路（铜管）传送到灯头 （散热板）上。利用灯头（散热板）表 面与空气的接触，在自然对流运作下， 无须借助任何额外动力，可不断循环散 热，有效解决热的问题，提升LED灯具产 品寿命。
灯具传热模型图
回路热管
技术研究中心 张江龙
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。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。
回路热管的优点
长距离热量传输。 (2) 高功率—最高可达数百瓦。 (3) 机械灵活性—管线可以弯曲。 (4) 反重力操作－贿赂式热管（LHP）在非 LHP 重力方向仍可保持高热导能力。 (5) 无额外的能量需求—回路热管（LHP） 不需要额外的电源驱动。
因此回路型热管可以满足许多产品需要 散热的问题。
模型像仪拍摄，以100W灯具为例，介绍回路热 管与灯具的应用： (1) LHP开始运作，將LED灯（热源）的热量经由LHP 很快地依序带到连接器第一段→第二段→第三段。 (2) 随着带走的热量增加，连接器的第一段、第二段和 第三段连接灯头处的温度慢慢增加。 (3) 灯头上的温度也明显地随着时间增加。 (4) 连接器连接灯头处温度开始扩散开来。 (5) 连接器灯头连接处于整个上灯头温度持续增加。 (6) LHP持续运作，且灯具散热达到稳态操作。
小型平板式环路热管的实验研究及蒸发器内部介观模拟
小型平板式环路热管的实验研究及蒸发器内部介观模拟环路热管(Loop Heat Pipe, LHP)是一种利用工质相变传递热量的高效被动散热装置,具有传热能力强、传热热阻低、传输距离长、等温性好、无运动部件等优点,在高热流密度电子器件散热和航天器热控等方面具有广阔的应用前景。
本文首先介绍LHP的工作原理与工作特性,并分析蒸发器内的传热过程,阐述“背向导热”和“侧壁导热”造成的热漏对系统运行的影响。
为了减少“侧壁导热”对系统性能的影响,将蒸发器从原来的O型圈密封改变为焊接密封,系统的运行性能得到提高。
实验结果表明,在蒸发器壁面温度不超过85℃的条件下,系统最大运行热负荷从140W提高到240W。
为了降低“侧壁导热”和改善系统的启动性能,本文提出一种新型的双毛细芯蒸发器LHP系统。
基于此,设计蒸发器分别采用O型圈和焊接密封的两套实验系统,研究不同充灌率、热沉温度、工质和重力辅助倾角下的运行特征,并对系统的温度波动现象进行机理分析。
实验结果表明,双毛细芯蒸发器LHP系统能在10W的低热负荷下成功启动,运行中充灌率对系统运行模式的转变有着重要影响。
在重力辅助作用下,存在重力控制和毛细控制两种运行模式。
此外,在双毛细芯LHP系统的实验中还得到不同于以往系统的温度分布趋势。
通过实验分析得出,蒸发器背面毛细芯对系统运行的影响与加载的热负荷大小以及热负荷的加载方式有关。
为了解决多热源的散热问题,本文还设计和研制出一套并联式双蒸发器LHP系统,对其启动、变热负荷以及热分享等性能进行实验研究。
系统在两个蒸发器均施加热负荷的工况下,都能启动成功,并能在低热负荷下由波动运行转变为平稳运行。
高低热负荷搭配启动运行也展现出并联双蒸发器LHP系统的优势。
增加系统的充灌率,能够改善系统的启动性能。
系统内回流液的流向影响着系统的热分享性能。
本文通过实验烧结出具有高孔隙率和高渗透率的双孔径毛细芯,应用于LHP实验系统展现出良好的工作性能。
两相环路热控系统的优化设计、动态模拟与实验研究的开题报告
两相环路热控系统的优化设计、动态模拟与实验研究的开题报告一、研究背景和意义当前各行各业对温度控制的要求越来越高，如冶金、航空、航天、机械制造以及化工等领域中的热处理、熔炼、淬火、冷却等工艺过程中需要对温度进行精确控制，以保证产品的质量和生产效率。
而热控系统是实现温度控制的关键。
目前，常用的热控系统包括PID控制器和二相环路控制器。
其中PID控制器具有较为简单的原理和操作，但其在一些特殊情况下容易产生过冲、振荡、超调等问题；而二相环路控制器相比于PID控制器具有更快的响应速度、更好的稳定性和更小的超调现象等优势，因此得到了广泛的应用。
然而，二相环路控制器在工作过程中也面临着一些问题，如系统稳态误差大、调节精度低、系统响应时间过长等问题。
因此，对二相环路热控系统进行优化设计和动态模拟，对于提高其控制精度、响应速度和稳定性具有重要意义。
二、研究内容和目标本研究的主要内容和目标是对二相环路热控系统进行优化设计和动态模拟，并进行实验研究。
具体研究内容包括：1. 系统建模与分析。
将二相环路热控系统建立数学模型，分析其动态响应特性和控制策略。
2. 优化设计方法。
针对目前二相环路热控系统存在的问题，设计新的控制策略和优化算法，以提高控制精度、响应速度和稳定性。
3. 动态模拟与仿真。
利用Simulink等仿真软件对二相环路热控系统进行动态模拟和仿真，验证优化设计方法的有效性。
4. 实验研究。
在实际的热控系统中进行实验研究，对比分析优化设计方法和传统方法的控制效果，验证优化设计的可行性和实用性。
三、研究方法和技术路线本研究的方法和技术路线主要包括：1. 系统建模和仿真。
建立二相环路热控系统的动态数学模型，并通过Simulink等仿真软件进行动态模拟和仿真分析。
2. 优化设计。
针对现有问题，设计新的控制策略和优化算法，如增量控制、自适应PID控制、模糊控制等，以提高控制效果。
3. 实验研究。
在实际的温度控制系统中进行实验研究，对比分析优化设计方法和传统方法的控制效果和稳定性。
热管器的优化设计及性能分析
热管器的优化设计及性能分析热管是一种传热元件，它在工业生产和科技研究中具有广泛的应用。
热管器是一种以热管为基础构建而成的传热设备，其作用是将热能从一处转移至另一处。
热管涉及到流体力学、热力学、传热学等多个学科领域，因此热管器的优化设计及性能分析是一个复杂而又迫切的问题。
一、热管器的原理及分类热管是一种薄壁管，内部被充入少量的工质，在重力作用下发生蒸发和凝结，工质在内外壁之间循环流动，从而传递热量。
热管器是将热管集成在一起的结构，有直型、L型、U型等多种形式。
热管器可以分为两类：直接传热式和间接传热式。
直接传热式热管器是热源直接用于蒸发端，形成工质的气态，然后工质通过热管与另一侧的冷源接触，被冷却后凝结成液态；间接传热式热管器则通过热交换器完成传热。
二、热管器的优化设计热管器的优化设计可从以下几个方面进行考虑。
1.热管器的结构优化随着热管器的应用领域越来越广泛，传热效率成为了热管器设计中重要的指标之一。
在热力学中，传热系数与热传递的表面积是成正比关系的，因此热管器的结构设计需要在最小化传热面积的同时，保证热传递效率的最大化，以实现结构紧凑、散热效果好的目标。
2.热管的性能改善目前热管器的主要性能指标是其传热能力和耐用程度。
在实际应用中，为更好地发挥热管器的效益，需要在性能改善方面进一步优化，如实现对工质的快速冷却、提高热传递效率等。
3.热管工艺制造在热管制造方面的工艺技术也是热管器优化设计中值得关注的一个方面。
热管器的制造工艺直接影响着热管器的的性能和使用寿命，不论是采用老旧的传统制造方式还是利用新技术推进制造，都需要在制造工艺方面进一步改进。
三、热管器性能分析热管器的性能分析是热管技术发展过程中的一个重要环节，对热管器的性能和使用效果进行科学分析，可为热管器的进一步改良设计提供重要的依据。
1.热管器传热性能分析在热管器的使用中，传热效率是评判热管器传热性能的重要指标之一。
热管器的传热系数可以通过实验方法测定，也可以通过理论分析来求解。
电气设备的热管理与优化设计
电气设备的热管理与优化设计在当今科技飞速发展的时代，电气设备在各个领域的应用日益广泛，从工业生产到日常生活，从通信技术到交通运输，几乎无处不在。
然而，随着电气设备性能的不断提升和功能的日益复杂，热管理问题逐渐成为了影响其可靠性、稳定性和使用寿命的关键因素。
因此，对电气设备进行有效的热管理和优化设计显得尤为重要。
电气设备在工作过程中，由于电流通过导体、电子元件的功率损耗等原因，不可避免地会产生热量。
如果这些热量不能及时有效地散发出去，就会导致设备内部温度升高。
过高的温度会对电气设备产生诸多不利影响。
首先，它会降低电子元件的性能和寿命。
例如，半导体器件在高温下其导通电阻会增大，漏电流会增加，从而影响其工作的稳定性和可靠性。
其次，高温会导致绝缘材料的老化和劣化，增加短路和漏电的风险，甚至可能引发火灾等安全事故。
此外，温度的不均匀分布还可能引起热应力，导致设备的机械结构变形和损坏。
为了有效地管理电气设备的热量，我们需要采取一系列的措施。
首先是散热设计。
常见的散热方式包括自然散热、强制风冷和液冷等。
自然散热是利用设备自身的表面积和周围环境的温差来进行热量交换，这种方式结构简单、成本低，但散热效果有限，适用于功率较小的设备。
强制风冷则是通过风扇等设备将冷空气强制吹过发热部件，以增强散热效果，适用于中等功率的设备。
液冷则是利用液体（通常是水或油）的高比热容和良好的导热性能来带走热量，散热效率高，适用于高功率密度的设备。
在散热设计中，热阻的概念至关重要。
热阻表示了热量在传递过程中的阻力大小，它与材料的导热性能、接触面积和厚度等因素有关。
通过减小热阻，可以提高散热效率。
例如，选择导热性能良好的材料（如铜、铝等）制作散热器，增加散热器与发热元件的接触面积，减小接触热阻，以及优化散热器的形状和结构，降低风道阻力等。
除了散热设计，合理的布局和布线也有助于改善电气设备的热管理。
在设备内部，发热元件应尽量分散布置，避免热量集中在局部区域。
用于电子器件冷却的热管散热器实验研究与优化数值模拟
摘 要 ： 高热流 密度 器件 的 热控 制在 Ｃ Ｕ 结构 体 系由单 一 芯 片 向 多核 芯 片发 展 中 占有 重 要 地 Ｐ 位 。对 平板型 热管散 热器与普 通散 热器 的传 热性 能进行 了比较 研 究 与计 算分 析 。研 究结 果表 明 ， 热
（ ｉｎｉ Ｋ ｙＬ ｂ ｒｔ ｙｏ Ｒ ｆ ｇ ｒｔ ｎＴ ｃ ｎ ｌ ｙＴ ａ ｊ ｎｖｒｉ ｆＣ ｍ ｅｃ ，Ｔａ ｊ ０ １ ４ Ｃ ｉａ Ｔ ａｊ ｅ ａ ｏ ｏ ｆ ｅ ｉ ａｉ ｅ ｈ ｏｏ ｉ ｉ Ｕ ｉ ｓ ｙｏ ｏ ｍ ｒｅ ｉ ｉ ３ ０ ３ ， ｈｎ ） ｎ ａ ｒ ｒｅ ｏ ｇ ｎｎ ｅ ｔ ｎｎ
一
２ ２ 当 量 导 热 系数 ．
由于平面 热管 与散 热器 底板 为一体 ， 以平板 热 所 管散 热器 导热 系数 的确定 不 适 宜 用 傅立 叶导 热 公式 进行求 解 。本 文 旨在 研究 散 热 器 对 芯 片宏 观 的冷却 效率 ， 不讨 论热 管 内部 复 杂 的 传 热过 程 ， 采 用 当量 故 导热 系数来 估测 平 板 热 管 散 热 器 的性 能 。其 表 达式
关键 词 ： 高热流 密度 器件 热控 制 Ｃ Ｕ 平 面热 管 散 热器 Ｐ 中图分类 号 ：Ｂ ５ Ｔ ６７ 文献 标识码 ： Ａ 文章 编号 ：０ ０６ １ （ ０ ０ ０ －０ ６０ １ ０ ．５ ６ ２ １ ）３０ ５ －５
Ｅｘ ｒ ｍ ｅ ｔ ｌｓ ｕ ｙ ａ ｄ ｎｕ ｅ ｉ ａ ｉ ｕ ａ ｉ ｎ ｏ ｔｍ ｉ ａ ｉ ｎ ｏ ｐｅ ｉ ｎ ａ ｔ ｄ ｎ ｍ ｒｃ ｌｓｍ ｌ ｔｏ ｐ ｉ ｚ ｔｏ ｆ
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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。
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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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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
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。
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
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。
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
0.0 0
50
1001Leabharlann 0200power/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
➢ 管路：蒸汽段(回流段)长度、冷凝段长度、管径
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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：
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
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2.6 模型介绍----散热板的热模型
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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。
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。
13返回
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
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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返回
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
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