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1、电子设备散热新技术1热电半导体制冷器2热管散热器3焦汤制冷器,第六章 热电半导体制冷器,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。,帕尔帖效应（热电制冷效应）,1834年法国物理学家帕尔帖发现：当一块N型半导体和一块P型半导体连接成电偶并在闭合回路中通以直流电流时，在其两端的结点将分别产生吸热和放热现象。半导体制冷的效果就主要取决于电荷载体运动的两种材料的能级差，即热电势差。纯金属的导电
2、导热性能好，但制冷效率极低（不到1%）。半导体材料具有极高的热电势，可以成功的用来做小型的热电制冷器。,电偶臂结点处吸收的热量为,式中：帕尔帖系数，=(PN)Tc，单 位为V，故该系 数又称为帕尔帖电压；P、N P型和N型半导体材料的温差电动热，V/；I 直流电流，A；Tc 冷端温度，K。,二、塞贝克效应（逆效应）,1821年塞贝克（）发现：用两种不同导体相互连接而形成的回路中，若在其两端的接头处维持某一温差，则将在回路中产生电动势。,电动势的大小与温差成正比，即,或,式中：塞贝克系数，V/，与半导体材料的性质有关。,三、汤姆逊效应,1854年汤姆逊（W.Thomson）提出：当电流流过具有温
3、度梯度的单个均匀导体时，将产生放热和吸热现象。,单位时间内产生的汤姆逊热的多少与电流和温度梯度的乘积成反比，即,式中：汤姆逊系数，V/。,四、焦耳效应,电阻生热效应。,式中：R 导体的电阻；I 通过导体的电流。,五、傅立叶效应,傅立叶导热定律,式中：导体的导热系数，W/(mK)；A 导体的横截面面积，m2；l 温差电偶对的长度，m；t 电偶对两结点的温差，。,制冷器冷端净吸热的基本方程,设计热电制冷器时，通常忽略汤姆逊热的影响，而且这种忽略所引起的误差不会太大。,在xL的冷端处，净抽吸热等于帕尔帖热减去焦耳热和傅立叶导热带来的损失，如以Tc表示冷端温度，则有,故制冷器冷端净吸热量,热电制冷装置
4、的优点：,可采用直流电源，并以改变电流方向的方法达到加热或制冷的目的。用于加热时的效率可大于1。,无运转部件，故可靠性高。,对重力不敏感。,制冷的速度和温度可通过工作电流进行控制。,装置的只寸不受限制，可根据设备的制冷要求进行组装。,热电制冷装置的主要缺点是工作效率较低，尤其是需要采用大电流的直流电源，其体积和重量较大。其制冷温度也比不上机械式制冷机低。因此仅适用于制冷量小、制冷温度不太低的电子器件冷却或作为恒温器使用。,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、军事方面：导弹、雷达、潜艇等方面的红外线探测、导行系统。2、医疗方面；冷力、冷合、白
5、内障摘除片、血液分析仪等。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、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、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。,第七章 热管散热器,7.1 概述,1965年Coffer发表了热管理论,热管技术的特点,热管的传热能力高利用工质的相变传热。,热管的均温特性好管内蒸气处于饱和状态。,具有可变换热流密度的能力实现“热变压器”。,具有良好的恒温特性充有惰性气体的可控热管。,(5)环境的适应性,7.2 热管的类型及其工作原理,热管按其工作温度范围
6、可分为：,深冷热管工作温度范围为100200K。工质可选用纯化学元素，如氦、氩、氮、氧等，或乙烷、氟利昂的化合物。,低温热管工作温度范围为200250K。工质可选用水、氟利昂、氨、酒精、丙酮等有机物质。,中温热管工作温度范围为550750K。工质可选 用导热姆A（联苯苯醚共溶体）、水银、硫、铯等物质。,高温热管工作温度范围大于750K。工质可选用钾、锂、铝、银等高熔点液态金属。,一、普通热管,普通热管由管壳、吸液芯和工质组成。,热管中工质流动的阻力：,液体从冷凝端返回蒸发端所产生的阻力pl；,蒸气从蒸发端流向冷凝端所遇到的阻力pv；,热管倾斜放置时，重力对轴向压力的影响pg；,热管正常工作必须
7、满足的压力平衡式为：,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,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。,四.分离式热管,分离式热
8、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。,五、可变导热管,改变热导的方式有：,控制返回蒸发端的冷凝液，使蒸发端局部干涸（相当于蒸发面积减少），热导降低；,改变蒸气流动的通
9、道，使蒸气流的热阻增加（相当于热导降低）；,在冷凝端内充填惰性气体，如氮、氦、氩等。热管启动后，蒸气流将气体驱使至冷凝端，从而相当于减少部分冷凝面积，使热导减少。,图9-7a、b、c、d、e为充填有惰性气体的可控热管示意图。,近年来还出现了一种平板式可变导热管，其表面积为1270mm860mm，内部热负荷变化为23.6W/cm2，控温范围为205。,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
10、于小型热管，其最小截面直径为1mm数量级。,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。,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
11、)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。,7.3 普通热管的 传热性能,一、热管的传热过程,R1 热源输入热管过程中所遇 到的阻力（即热源与管壁外表面的传热热阻）。,R2 热流通过热管管壁的阻力。,R3 热流通过各种吸液芯以及壁和液体之间的阻力。,R4 蒸气流逸液汽交界面的阻力；,R5 蒸气流在管内由蒸发端向冷凝端转移过程的阻力。,R6 蒸气进入汽液分界面的阻力。,R7 冷凝液通过吸液芯的阻力。,R8 冷凝液通过冷凝端管壁的阻力。,R9 冷凝液与冷却介质（空气、水等）之间的
12、传热阻力。,R10 热管管壁沿轴向的导热热阻。,R11 热流通过吸液芯时轴向导热热阻。,表中定义式中的各符号意义：Ae、Ac 蒸发端和冷凝端的表面积，m2；e、c 蒸发端和冷凝端的表面传热系数，W/(m2K)；w、l 固体壁面、吸液芯、工质的导热系数，W/(mK)；r1、r2 圆形热管的内、外半径，m；e、w 热管管壁和吸液芯的厚度，m；e 吸液芯组合导热系数，W/(mK)；空隙率，rs 工质的汽化潜热，J/kg；pv 热管内的蒸气压力，Pa；Rg 蒸气的气体常数，RgR/M;R 摩尔气体常数，R8.3103 J/(molK)；M 蒸气的摩尔质量，100时水蒸气的M18kg/mol；T 蒸气的
13、热力学温度，K。,热管的总传热量为,热管的总热阻为,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。,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
14、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。,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
15、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
16、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”。,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,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）旋转元件的传热(旋转热管)（7）微型热管技术（8）高温热管技术,7.4 热管设计,设计技术要求；,工质选择；,吸液芯选择；,管壳设计；,传热量校核。
17、,一、设计技术要求,工作温度,根据电子设备器件及整机的温度控制要求，热管的工作温度范围一般为50200。个别器件，如调速管的集电极许用温度可达270。,传热量,根据器件的耗散功率和工作环境条件确定热管所需传递的功率（由几毫瓦至几十千瓦）。,热特性,按电子器件耗散功率的大小以及温度控制的要求均温、恒温或控温，来设计蒸发端、冷凝端、吸液芯和管壳的几何形状、尺寸。,工作环境,根据电子设备的工作环境条件（地面、海上或航空等）来估计重力场对热管工作的影响，同时确定冷凝端与冷却介质的连接方式。,结构尺寸,用户提供的热管外形、尺寸及重量等指标要求。,二、工质选择,1 选择要求,工质与管壳材料及吸液芯应相容，
18、对热管的安全工作和可靠性不产生有害的影响。,工质的工作温度范围可选在工质的凝固点与临界温度之间，一般以接近工质的沸点为宜。,工质的品质因素高。,重力场条件下的热管，工质的选用应计及毛细力的提升高度。,选用的工质无毒、不易爆、使用安全。某些器件（如行波管）用的工质还应具有良好的电绝缘性能。,2 适合电子设备用的热管工质,三、吸液芯的选择,吸液芯的两大作用：提供足够的毛细泵力；将液体均匀分布在蒸发端上。,1 选择要求,吸液芯要有足够的毛细泵力；,具有较高的渗透率；,吸液芯的传热特性好；,吸液芯具有足够的刚性，以保证和管壁的紧密接触；,制造简单、可靠、经济型好。,2 吸液芯的类型,3 吸液芯的渗透率
19、,4 吸液芯的有效导热系数,5 吸液芯的特性,6 吸液芯的传热系数,四、管壳设计,材料的选用；,结构形式及几何形状的确定；,管壳强度的校核。,1 材料,与工质相容（参考表9-8选取）；,湿润性良好；,导热系数高；,足够的机械强度和良好的加工性能。,适合于电子设备热管用的管壳材料主要有紫铜无氧铜、铝合金、不锈钢等。,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
20、可以不考虑管壳失稳的问题，因而管壳的设计主要从强度考虑。管壳壁厚由强度计算所得壁厚加上腐蚀裕度得出，端盖则可以按照平板的设计较容易的设计。,吸液芯设计,设计吸液芯的依据是毛细极限的计算。,毛细极限的检验,验算验算携带极限、沸腾极限，最后核算Re数，验算是否为层流流动。,2管壳结构设计,2 管壳结构,圆管,用光管或在圆管内壁加工成轴向槽或周向螺纹槽。,同心圆筒组成 的径向热管,图9-14为10kW调速管热管散热器。,扁平热管,柔性热管,小功率电子器件或集成电路用的热管管壳可设计成扁平结构，如图9-15所示。,当热源与冷却装置需要进行相对移动时，通常在绝热端做成便于弯曲的波纹金属管，而蒸发端和冷凝端均为刚性结构，如图9-16。,3 管壳强度校核,由于各种管壳需要承受工质蒸发时所产生的蒸气压力（例如，水在200时，蒸气压力可达1.52MPa；氨在40时可达15.1MPa），因此需对管壳的强度进行校核，以保证热管安全工作。,圆形热管管壁的厚度,式中：p 最高的饱和蒸气压力，Pa；di 圆形管内径，m；管壳材料的许用压力，Pa。,
