蒸汽腔型熱管散熱器三維瞬態(tài)熱分析*

宋香娥

(北京第二外國(guó)語學(xué)院　北京 100024)

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蒸汽腔型熱管散熱器三維瞬態(tài)熱分析*

宋香娥

(北京第二外國(guó)語學(xué)院北京 100024)

摘要本文通過建立蒸汽腔型熱管散熱器三維非穩(wěn)態(tài)計(jì)算模型，對(duì)不同風(fēng)速及溫度水平下的運(yùn)行工況進(jìn)行了對(duì)比熱分析，并分析了冷凝段直肋厚度對(duì)蒸汽腔型熱管散熱器傳熱性能的影響。分析結(jié)果表明：冷凝段空氣出口溫度隨熱管壁溫增大而增大，空氣和肋片及熱管壁面進(jìn)行對(duì)流換熱，熱管壁溫明顯高于空氣通道出口溫度，冷凝段直肋起到很好的散熱作用，能使冷凝段的工質(zhì)冷卻成液體并在重力和毛細(xì)力的作用下回流到蒸發(fā)段，從而保證蒸汽腔型熱管散熱器良好的傳熱性能和等溫性能。

關(guān)鍵詞蒸汽腔熱管散熱器風(fēng)速對(duì)流換熱

Three Dimensional Transient Thermal Analysis of Heat Pipe Exchanger Embedded with Vapour Chamber

SONG Xiang’e

(BeijingInternationalStudiesUniversityBeijing100024)

AbstractThree dimensional transient numerical model of VCHP (Heat Pipe Embedded with Vapour Chamber) is built and the thermal performance is analyzed. The temperature field of air outlet is obtained. Analysis results show that cubic fins have great effect on heat elimination. The working fluid of VCHP condenses and flows back to the vapour section with the effect of gravity and capillary force. Thus VCHP owns good performance of heat transfer and uniform temperature. When wind speed increases, heat convection strengthens and the temperature difference between inlet and outlet of air channel decreases.

Key Wordsvapour chamberheat pipe exchangerwind speedheat convection

0引言

電子器件的發(fā)展一直趨向于密集和小型化，所帶來的負(fù)面效應(yīng)是單位體積電子器件的發(fā)熱量不斷增加。電子元器件的散熱問題成為制約其性能進(jìn)一步提高的重要因素，熱致失效已經(jīng)成為電子設(shè)備最主要的失效形式之一[1]。資料表明，電子設(shè)備運(yùn)行出錯(cuò)55%都是由于過熱造成的[2]。增大翅片散熱面積，翅片效率逐漸減小，各種散熱裝置的改進(jìn)收效甚微，傳統(tǒng)的金屬與翅片組合的散熱器已經(jīng)接近散熱極限。熱管具有高效的導(dǎo)熱性以及等溫性，與翅片結(jié)合可以有效的提高翅片效率，熱管與翅片組合的散熱器已經(jīng)成為解決電子器件高熱流散熱的重要手段，蒸汽腔型熱管散熱器是熱管散熱器的拓展，采用蒸汽腔結(jié)構(gòu)便于與電子器件進(jìn)行裝配和吸收熱量，大大減小了與熱源之間的接觸熱阻，散熱性能得以提高，因此這類熱管散熱器的研究一直是最近研究的熱點(diǎn)[3-4]。本文通過建立蒸汽腔型熱管散熱器三維非穩(wěn)態(tài)計(jì)算模型，對(duì)不同風(fēng)速及溫度水平下的運(yùn)行工況進(jìn)行對(duì)比熱分析，分析冷凝段直肋厚度對(duì)蒸汽腔型熱管散熱器傳熱性能的影響，為蒸汽腔型熱管散熱器的設(shè)計(jì)提供一定的指導(dǎo)依據(jù)。

1蒸汽腔型熱管散熱器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及其工作原理

蒸汽腔型熱管散熱器結(jié)構(gòu)如圖1所示，它由蒸汽腔和散熱片組成，原理是蒸發(fā)器外壁面直接接觸元件，外壁面吸收元件熱量傳遞到內(nèi)壁面后，使內(nèi)部制冷劑沸騰汽化，帶著汽化熱的蒸汽被直接導(dǎo)向冷凝器，冷凝器外部帶有許多散熱片，處于風(fēng)冷卻狀態(tài)，蒸汽接觸冷凝器內(nèi)壁后釋放出汽化熱并回到液體水，在重力和毛細(xì)力作用下流回蒸發(fā)器，上述二相狀態(tài)循環(huán)過程實(shí)現(xiàn)了高效而良好的傳熱性能。此外，通過采用蒸發(fā)器內(nèi)存制冷劑的結(jié)構(gòu)，可以實(shí)現(xiàn)高于熱管幾倍的冷卻性能，從而有效降低熱量。

圖1蒸汽腔型熱管散熱器

2蒸汽腔型熱管散熱器三維瞬態(tài)熱分析

2.1物理模型及邊界條件

由于熱管有很好的等溫性，于是假設(shè)熱管壁面等溫。由肋片和熱管壁面形成的所有通道結(jié)構(gòu)相同，并且換熱條件相似，于是可以選用一個(gè)空氣通道進(jìn)行數(shù)值模擬，采用三維模型，上、下面為直肋，肋壁厚度為0.25 mm，材料為鋁合金，左右面為熱管壁面，壁面厚度為0.9 mm，材料為鋁合金，Air inlet(空氣進(jìn)口)邊界設(shè)為Velocity inlet(流速進(jìn)口)，進(jìn)口流速為2 m/s，進(jìn)口溫度為33 ℃，Air outlet(空氣出口)邊界設(shè)為Outflow(充分發(fā)展)，熱管壁面設(shè)為等溫，熱管壁面、肋片與空氣進(jìn)行對(duì)流換熱。

數(shù)值模型為三維層流非穩(wěn)態(tài)傳熱。

2.2數(shù)學(xué)模型

傳熱過程包括肋片的導(dǎo)熱以及空氣的對(duì)流換熱，因此屬于耦合傳熱問題，本文采用整場(chǎng)求解的方法進(jìn)行計(jì)算[5]。

連續(xù)性方程：

(1)

動(dòng)量方程：

(2)

(3)

(4)

能量方程：

(5)

肋片的導(dǎo)熱方程：

(6)

2.3求解方法

采用有限控制容積法對(duì)控制方程進(jìn)行離散差分，將復(fù)雜的偏微分方程轉(zhuǎn)化成代數(shù)方程組，使用分離求解器對(duì)方程求解，采用SIMPLE(Semi-Implicit Method for Pressure-Linked Equations)算法對(duì)壓力和速度進(jìn)行耦合計(jì)算，動(dòng)量和能量方程均采用一階迎風(fēng)(First Order Upwind)差分格式進(jìn)行計(jì)算。

3計(jì)算結(jié)果及分析

3.1不同風(fēng)速下的運(yùn)行工況熱分析

本蒸汽腔型熱管散熱器冷凝段主要技術(shù)參數(shù)如下：冷卻風(fēng)量45 m3/min，絕熱交換量12.5 kW，空氣通道進(jìn)出口溫差為15 ℃。

由于電子元件表面的最高溫度不超過65 ℃，蒸汽腔型熱管散熱器工作溫度范圍為-25 ℃～+45 ℃，設(shè)計(jì)風(fēng)速為2 m/s，中國(guó)國(guó)內(nèi)年平均風(fēng)速一般不超過5 m/s[6]，即最高風(fēng)速為5 m/s，計(jì)算時(shí)考慮熱管工作最高極限溫度為45 ℃以上，對(duì)設(shè)計(jì)風(fēng)速和最高風(fēng)速情況分別進(jìn)行計(jì)算，并對(duì)比討論分析。

(1) 當(dāng)風(fēng)速為2 m/s時(shí)，不同熱管壁溫下空氣出口溫度隨時(shí)間變化如圖2所示，熱管壁溫45 ℃和65 ℃時(shí)冷凝段空氣出口溫度場(chǎng)分布分別如圖3，4所示。從圖2～4可看出：蒸汽腔型熱管散熱器冷凝段空氣出口溫度隨運(yùn)行時(shí)間逐漸升高，運(yùn)行大約10 min左右達(dá)到穩(wěn)定；熱管壁溫分別為45，50，52，55，60，65 ℃時(shí)，相對(duì)應(yīng)冷凝段空氣出口溫度分別穩(wěn)定在42.5，46.5，47.97，50.4，54.4，58.4 ℃，比空氣進(jìn)口溫度分別高9.5，13.5，14.97，17.4，21.4，25.4 ℃。因此，當(dāng)風(fēng)速為2 m/s 時(shí)，蒸汽腔型熱管散熱器工作溫度若超過45 ℃，最大也不能超過52 ℃，否則冷凝空氣進(jìn)出口溫差超過15 ℃，便達(dá)不到設(shè)計(jì)技術(shù)要求。通過對(duì)不同熱管壁溫下空氣出口溫度場(chǎng)分析可知，空氣出口溫度隨熱管壁溫增大而增大，空氣和肋片及熱管壁面進(jìn)行對(duì)流換熱，熱管壁溫明顯高于空氣通道出口溫度，冷凝段直肋起到很好的散熱作用，能使冷凝段的工質(zhì)冷卻成液體并在重力和毛細(xì)力的作用下回流到蒸發(fā)段，從而保證蒸汽腔型熱管散熱器良好的傳熱性能和等溫性能。

圖2　空氣出口溫度隨時(shí)間變化(風(fēng)速2 m/s)

圖3　空氣出口溫度場(chǎng)分布(熱管溫45 ℃)

圖4　空氣出口溫度場(chǎng)分布(熱管溫65 ℃)

(2) 當(dāng)風(fēng)速為5 m/s時(shí)，不同熱管壁溫下空氣出口溫度隨時(shí)間變化如圖5所示，熱管壁溫45 ℃和65 ℃時(shí)冷凝段空氣出口溫度場(chǎng)分布分別如圖6，7所示。從圖5～7中可看出：蒸汽腔型熱管散熱器冷凝段空氣出口溫度隨運(yùn)行時(shí)間逐漸升高，運(yùn)行10 min左右達(dá)到穩(wěn)定，與圖2不同的是在運(yùn)行到3 min時(shí)溫度有所下降，可能是風(fēng)速過大，導(dǎo)致空氣出口溫度變化有所波動(dòng)；熱管壁溫分別為45，50，55，60，61，65 ℃時(shí)，相對(duì)應(yīng)冷凝段空氣出口溫度分別穩(wěn)定在39.7，42.5，45.3，47.98，48.7，50.9 ℃，比空氣進(jìn)口溫度分別高6.7，9.5，12.3，14.98，15.7，17.9 ℃。因此，當(dāng)風(fēng)速為5 m/s 時(shí)，蒸汽腔型熱管散熱器工作溫度若超過45 ℃，最大不能超過61 ℃，否則冷凝空氣進(jìn)出口溫差超過15 ℃，達(dá)不到設(shè)計(jì)技術(shù)要求。將圖5同圖2、圖6同圖3、圖7同圖4相比較可知，隨著風(fēng)速的增大，冷凝段空氣出口溫度減小，空氣通道進(jìn)出口溫差減小，這是由于風(fēng)速增大引起對(duì)流換熱增強(qiáng)，冷凝段直肋能更充分地散熱，冷凝段的工質(zhì)能更快冷卻成液體并在重力和毛細(xì)力的作用下回流到蒸發(fā)段，從而使蒸汽腔型熱管散熱器正常運(yùn)行。

圖5　空氣出口溫度隨時(shí)間變化(風(fēng)速5 m/s)

圖6　空氣出口溫度場(chǎng)分布(熱管溫45 ℃)

圖7　空氣出口溫度場(chǎng)分布(熱管溫65 ℃)

冷凝段一個(gè)空氣通道內(nèi)傳熱量隨熱管壁溫及風(fēng)速變化如圖8所示?？梢钥闯觯弘S著熱管壁溫增大，空氣通道內(nèi)傳熱量明顯增大；隨著風(fēng)速增加，空氣通道內(nèi)對(duì)流換熱明顯加強(qiáng)，傳熱量也隨之明顯增大，風(fēng)速為1 m/s時(shí)冷凝段空氣通道內(nèi)的傳熱量很小。

圖8　冷凝段空氣通道傳熱量隨熱管壁溫及風(fēng)速變化

3.2冷凝段直肋厚度對(duì)傳熱性能影響分析

熱管工作溫度為45 ℃時(shí)，冷凝段空氣出口溫度隨直肋厚度變化如圖9所示。從圖中可以看出：隨著冷凝段直肋厚度增加，熱阻增大，空氣通道出口溫度升高，直肋與空氣間的對(duì)流換熱減弱；風(fēng)速為2 m/s時(shí)，直肋厚度每增加0.25 mm，空氣出口溫度增加約0.5 K；風(fēng)速為5 m/s時(shí)，直肋厚度每增加0.25 mm，空氣出口溫度增加約1.1 K，因此，為充分發(fā)揮直肋與空氣間對(duì)流換熱，直肋厚度應(yīng)盡可能薄。綜合考慮在實(shí)際加工制作中肋基與熱管壁面焊接及材料強(qiáng)度等，直肋厚度宜設(shè)計(jì)為0.25 mm。

圖9　冷凝段空氣出口溫度隨直肋厚度變化

4結(jié)論

(1)當(dāng)蒸汽腔型熱管散熱器工作溫度一定時(shí)，冷凝段空氣出口溫度隨運(yùn)行時(shí)間逐漸升高，運(yùn)行大約10 min左右達(dá)到穩(wěn)定。

(2)在設(shè)計(jì)風(fēng)速2 m/s 下，蒸汽腔型熱管散熱器在-25 ℃～+45 ℃能正常工作，工作溫度若是超過45 ℃，最大也不能超過52 ℃，否則冷凝空氣進(jìn)出口溫差超過15 ℃，達(dá)不到設(shè)計(jì)技術(shù)要求；在中國(guó)年平均最大風(fēng)速5 m/s下，蒸汽腔型熱管散熱器工作溫度最大也不能超過61 ℃；隨著風(fēng)速的增大，對(duì)流換熱增強(qiáng)，冷凝段空氣通道進(jìn)出口溫差減小。

(3)冷凝段空氣出口溫度隨熱管壁溫增大而增大，空氣和肋片及熱管壁面進(jìn)行對(duì)流換熱，熱管壁溫明顯高于空氣通道出口溫度，冷凝段直肋起到很好的散熱作用，能使冷凝段的工質(zhì)冷卻成液體并在重力和毛細(xì)力的作用下回流到蒸發(fā)段，從而保證蒸汽腔型熱管散熱器良好的傳熱性能和等溫性能。

(4)隨著冷凝段直肋厚度增加，熱阻增大，空氣通道出口溫度升高，直肋與空氣間的對(duì)流換熱減弱，為了充分發(fā)揮直肋與空氣間對(duì)流換熱，直肋厚度應(yīng)盡可能薄，綜合考慮在實(shí)際加工制作中肋基與熱管壁面焊接以及材料的強(qiáng)度等，直肋厚度宜設(shè)計(jì)為0.25 mm。

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(收稿日期：2015-01-29)

作者簡(jiǎn)介宋香娥，女，碩士，工程師，主要從事強(qiáng)化傳熱研究。

*基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金(51161140332，51476172)。