均热板、热管、知识点

“均热板是一个内壁具微结构的真空腔体当热由热源传导至蒸发区时腔体裡面的工质会在低真空度的环境中便会开始產生液相气化的现象此时工质吸收热能并且体积迅速膨胀气相的工质会很快充满整个腔体当气相工质接触到一个比较冷的区域时便会產生凝结的现象藉由凝结的现象释放出在蒸发时累积的热凝结后的液相工质会藉由微结构的毛细现象再回到蒸发热源处此运作将在腔体内週而復始进行这就是均热板的运作方式 均热板(Vapor Chamber)介绍 均热板(

均热板

• 分类
  • 圆形热管
  • 平板热管（均热板）
    • 结构特点
      • 轴向平板热管
      • 径向平板热管
    • 热源布置位置
      • 远距离冷却型
      • 现场冷却型
• 组成
  • 壁壳
  • 工质
    • 类别
      • 水
      • 酒精
      • 丙酮
  • 吸液芯
    • 传热能力 热阻 毛细驱动力 流动阻力 希望驱动力大， 流动阻力小 (毛细驱动力提升，工质驱动力增大，同时流动阻力增大) (毛细压力减小，工质驱动力减小，工质流动阻力减小) 渗透率
    • 烧结粉末型吸液芯
      • 吸熔结构
      • 影响因素
        • 烧结粉末颗粒直径
        • 烧结厚度
      • 优缺点
        • 毛细压力大、渗透率较低 进行精确的理论计算比较困难，需要对吸液芯部分进行合理简化， 在建立三维的非稳态计算模型时，需要基于能量守恒原理在吸液芯结构与均热板壁壳之间进行插值，才能建立更为准确的计算模型
    • 沟槽型吸液芯
      • 影响因素
        • 热阻 流动
        • 材料
        • 几何
          • 槽道形式
            • Kang设计了一种种盘状的均热板，以微槽道为吸液芯，且吸液芯从均热板中心向外呈现辐射状。实验结果表明气液两相流动过程分开有利于提高均热板传热性能。
            • 深度
            • 宽度
            • 槽间距离
          • 槽道截面形状(长宽比、三角度)
            • 范春利38等研究了两种不同尺寸，截面为矩形的微通道平板热管和一种截面为三角 形的平板热管，发现微槽道深度较大的平板热管表现出较好的性能，同时当分别以蒸馏 水和丙酮为工质时，前者性能更优。
            • 矩形
              • 对于截面为矩形的槽道吸液芯，其长宽比对均热板的传热性能同样重要「521。王元531等通过PIV技术获得了沟槽内部流体流动图像，发现沟槽在尖角和圆角.处容易产生漩涡，容易导致工质中的杂质沉积并堵塞通道。 张明541等以微槽道作为蒸发端强化沸腾的核心，相比于光滑表面，更能加速气泡的形成，从而减小均热板热阻。 苏俊林55等开发了一-种微小矩形多槽道平板热管,通过建立平板热管的数学模型推导出热管工作的毛细极限。并通过实验获得了充液率、输入功率、不同工质等对平板热管传热性能的影响，发现该热管具有优良的传热性能。
            • T形
            • V形
          • 截面尺寸
      • 优缺点
        • 沟槽型吸液芯由于具有较大的渗透率，以及加工工艺的易处理性 如毛细压力较小以及获得更细槽道时加工成本高等问题。因此，更多研究者倾向于通过在沟槽上烧结粉末以获得更高的毛细驱动力和渗透率。
    • 烧结丝网型吸液芯
      • 为了减小丝网吸液芯的授触热阻，目前较好的方法是将丝网与壁壳进行扩散焊。 为了提高均热板传热能力，通常在蒸发面和冷凝面采用较细的网丝提供较大的毛细驱动力，而在流体通道处则采用较大的网丝以提供较大的渗透率，从而提高均热板的性能。
      • 影响因素
        • 毛细压力
        • 金属丝表面粗糙度
          • 胡幼明71等研究发现，对于丝网吸液芯平板热管，在蒸发端的沸腾传热过程中，金 属丝表面粗糙度对温度的脉动具有较大影响;同时金属丝网烧结时与平板热管壁壳相接 触也会对毛细传热极限产生较大的影响。 Qin和Liu158为了获得平板热管内工质的液相压，力场和速度场，建立了各向异性丝网吸液芯平板热管的数值模型，并通过傅里叶展开的方法进行求解。计算结果表明，由于吸液芯存在各向异性，该因素会直接影响液相速度场和压力场分布。 Ponnapan9l以金属丝制成单独芯体，即以丝布作为矩形网，用网的小核心来提供毛细力，矩形槽作为工质流动的主要通道。该形式的吸液芯同样具有较好的传热性能，并且将丝布插入热管比在热管固体壁上机加工沟槽较为方便。
        • 网丝直径
        • 间距大小
      • 优缺点
        • 毛细压力较小 （ 网丝间的间隙提供 ） 渗透率较大
    • 泡沫金属
      • 泡沫金属: 通孔性高，通孔率可达到98%以上的几乎全通透结构，作为过 滤材料，压降小，流量大，通透性能优; 比表面积大，在同样的通孔率的情况 下，和其他的多孔材料相比有着最大的比表面积，高达每克一-平米以上;孔隙 率高，孔隙结构均匀，孔隙率达到95%以上，为三维多孔通透结构，并拥有较 好的金属强度，同样的体积，材料重量更轻，同时能容纳性也最高，并且有很 好的吸声、吸能、电磁屏蔽性能; 拥有金属性能，泡沫金属可以由镍，铜，铁， 或者合金材料制成，不同的基材具有不同的金属性能，比如防火、无毒、无掉 落残渣、可回收、导热等、适用范围广; 综合以上因素，在本实验中径向热管的吸液芯选用泡沫金属。
    • 复合型吸液芯
      • 分类
        • 多种粒径粉末组合
          • 在烧结不同粉末粒径方面 Chen]0l等研究了一种用金刚石-铜混合烧结制成新型的吸液芯结构，发现该吸液芯整体散热性能相比于传统的吸液芯结构更加优越，但是该研究仍处于起步阶段，离实际应用仍然面临等诸多技术问题。 /Semenic'1l等测试了一种双孔隙吸液芯，该吸液芯可承受热流密度为1000W/cm2;吸液芯厚度越大，承受热流密度越高，其主要原因在于蒸发传热在气液交界面同时发生，缺陷在于只对吸液芯进行了单独的测试。将多种粒径的球形铜粉烧结成一种多孔径复合型吸液芯，以大孔为工质流动通道，小孔提供毛细驱动力。结果表明渗透率与铜粉粒径之间存在线性关系1621。 /Huang等通过在开有大孔的基板上烧结粉末形成复合式吸液芯结构，以获得较大毛细压力和渗透率，以此强化传热。结果表明，复合型吸液芯热管导热系数在以单一的丝网为吸液芯的热管基础上提高了400%。 柏立站[641等通过对比单一结构吸液芯与复合结构吸液芯的流动与传热性能发现，复合结构吸液芯不但能够提供较大毛细驱动力，同时可以降低流动阻力，提高平板热管传热能力。
        • 沟槽与粉末组合
          • 将粉末与槽道组合方面， 白種5|66]等将金属纤维毡烧结到沟槽吸液芯上形成一种组合式吸液芯。该吸液芯能有效提高毛细力和降低热阻; 以水为工质时，可以通过减小金属毡的厚度来增大渗透率。水在湍流状态时，惯性效应对流动阻力具有较大影响，且流速越大影响越大，因此在进行数值模拟时，需要考虑惯性摩擦系数。 wang'61等在三角形微槽道表面烧结多孔结构以增大毛细压力以强化传热。通过理论研究表明，通过在三角形微槽道表面烧结多孔铜粉层形成复合式吸液芯热管的传热量比传统吸液芯结构，提高了3倍以上。
        • 丝网与粉末组合
          • 在粉末与其它结构的组合方面 Franchi681等在金属丝网上烧结镍粉形成复合结构吸液芯，研究发现,传热极限会受到丝网数目的影响。为了弥补碳纳米管渗透率小的缺陷，通过在碳纳米管上烧结铜粉末层可以获得更大的渗透率?691。 Jj/701等以鳍片排列形成工质流动微通道，并在鳍片上烧结铜粉末作为均热板吸液芯，并延长冷凝段长度，结果表明该均热板热阻更小且无干涸情况发生，但均热板过厚，难于安装。
    • 仿生吸液芯
      • 董涛711等研究了一种蜂窝型仿生均热板，研究发现在相同的对流传热系数、截面参数、传热温差等条件下，仿生均热板的散热效率是传统的阵列槽道式均热板的5倍以上 (Zhaq2l等受生物体自适应传热散热功能启发，研究了一种新型的具有温敏聚合物涂层的自适应均热板，该涂层提高子蒸发面湿润度以及高温下的接触角，从而增大了工作液回流驱动力，因此，提高了热传递效率。 同时，该研究小组731利用甲壳虫外壳表层的散热原理，研制了一种利用电喷射来运输工质的无毛细结构均热板，并建立了该均热板的概念模型of而植物作为一种优化的传热传质结构，在电子器件的散热中得到了广泛研究，且研究表明该结构对于提高运输效率、降低流阻具有重要的作用。 而从植物叶片的多尺度微通道拓扑结构出发，寻找具有优良导热特性的仿生均热板的设计方法，目前国内外很少有学者进行相关方面的研究工作。
      • 影响因素
        • 散热效率
        • 热阻
        • 均温性
        • 风速
        • 输入功率
        • 工质
      • 研究方向
        • 分形角度
        • 工质
        • 均热板形状
  • 支撑柱
• 传热特点
  • 导热强
  • 优良均温性
  • 热流密度可变性
  • 热流方向可逆性
  • 几何形状自适应性
  • 较高运行稳定性
• 热防护思路
  • 隔绝热量
    • 结构方面
      • 真空隔热
    • 相变材料
    • 隔热
  • 转移/储存 热量
    • 热管
    • 蜂窝
• 航天器热防护系统方案
  • 主动式热防护
    • 全部或者大部分热量都由冷却工质或者冷却流带走（可能小部分被反射掉），从而被拦堵不能传至 次层结构。
    • 发汗冷却
    • 薄膜冷却
    • 对流冷却
  • 被动式热防护
    • 热量由表面辐射出去或被吸收，而不需要工作流体(工质)来排除热量
    • 热沉
      • 依靠自身热容吸收热量实现快速导热
    • 热结构
      • 依靠辐射散热方式散热的防护结构
    • 隔热结构
      • 兼具热沉和热结构的特点，隔热层组织热量向内层结构传递，传入内层的小部分热量通过热忱方式储存在结构中。
  • 半被动式热防护
    • 大部分热量依靠工质或者（空）气流带走
    • 热管结构
      • 高温热管通常选取碱金属作为工质,由于碱金属的熔沸点很高.所以高温热管相对普通热管更适用于高温大热流的传热场合。
    • 烧蚀结构
      • 烧蚀结构适用于表面气动加热十分严重的飞行器部位,该结构通过烧蚀引起自身质量损失,吸收被带走大量的热量,阻止热量传递,起到保护内部结构的作用。国内外飞船的防热材料基本上采用烧蚀结构形式。
• 毛细半径小→毛细压力大
• 孔隙率大→流动阻力小
• 渗透性低→流动阻力大
• 热管分类
  • 
  • 结构
    • 普通热管
    • 平板热管
    • 分离式热管
    • 毛细泵回路
    • 微型热管
      • 脉动热管
      • 微槽平板热管
      • 微型回路热管
      • 微型毛细泵回路
      • 其他微型热管
        • 分离式热管
        • 微槽管型热管
    • 径向热管
  • 温度
• 均热板热阻计算
  • 总热阻计算
  • 厚度方向热阻
  • 水平方向热阻
• 限制热管传热极限因素
  • 主要传热极限
    • 毛细极限
      • 毛细极限:指热管由于吸液芯结构为工作介质循环提供的毛细压力的限制顶导致的传热极限
      • 限制热管轴向热流量
    • 粘性极限
      • 当热管的工作温度低于正常工作温度范围时,惯性力可忽略,蒸汽的压力在戮性力的作用下在热管的冷凝段末端降为零,热管的传热将受到限制,这种极限称为粘性极限,也称为蒸汽压力极限。 黏性极限:蒸汽的压力由于黏性力的作用不断降低,热管的传热量随着冷凝段蒸汽压力的不断降低而增大，最终热管传热量在蒸汽压力位于冷凝段的末端时降为零而达到极限。
      • 限制热管轴向热流量
    • 声速极限
      • 蒸汽流在蒸汽出口处的速度达到声速，出现的蒸汽流阻塞现象 黏性力相对于惯性力可以忽略，在惯性力的作用下管内的蒸汽速度可能达到或超过声速而出现阻塞现象，这时的最大传热量称为声速极限，判断出现声速极限的准则是马赫数等于1。 因为蒸汽有压缩性，所以如果热管的蒸发段输入的热量超过一定值时， 蒸汽流在蒸发段的出口处达到音速，便出现蒸汽流阻塞的现象，便出现了声速极限，热管的管径设计值要大于工作温度下热管的声速极限。 声速极限:热管内部的蒸汽流动，由于惯性力的作用，在蒸发段出口处蒸汽速度可能达到声速或超声速而出现阻塞现象，此时的最大传热量被称为声速极限。
      • 限制热管轴向热流量
    • 携带极限
      • 蒸发段工质受热汽化，压力增大，向冷凝段流动，携带部分液体导致冷凝管，导致蒸发段干枯，引发蒸发段过热甚至烧毁。 当热管的蒸汽速度足够高时，汽液交界面存在的剪切力可能将吸液芯或者槽道内的表面液体卷入蒸汽流中而减少了冷凝液的回流量，从而限制了热管的传热能力，这时的最大传热量称为携带极限 携带极限:当热管内部的蒸汽速度足够高时，液一-汽交界面存在的剪切力可能将吸液芯表面的液体撕裂将其带入蒸汽流从而导致蒸发区干涸。
      • 限制热管轴向热流量
    • 沸腾极限
      • 沸腾极限:指热管蒸发段由于径向热流或者管壁温度变得非常高而在吸液芯中液体生存汽泡时的最大传热量。 （三）沸腾极限（Boiling limit）： 热管开始导热后，其蒸发部份管壁的温度会升高。如果导热量增加时，则管壁和管内汽体之间的温差也会增大，这种温差大时毛细物内含有的液体可能会发生沸腾现象而有汽泡產生。这些汽泡在毛细物内可能阻止液体的流动而在毛细物内造成乾燥部份。乾燥处一旦產生，则如同毛细极限一般使热管无法正常作用。故蒸发部份内沸腾现象產生时的热管导热量称之为沸腾极限。
      • 限制热管径向热流量
    • 干涸极限
      • 热管的充液率过低时，随着输入热量的增加，工质全部汽化，造成蒸发段干涸而使热管停止工作，达到干涸极限。
  • 其他传热极限
    • 连续流动极限
      • 连续流动极限对微小型热管或工作温度很低的热管，热管内的蒸汽流动可能处于自由分子状态或稀薄真空状态，由于不能获得连续的蒸汽流，传热能力受到限制，这时的最大传热量就是连续流动极限。 连续流动极限:对于小热管以及工作温度很低的热管，热管内部的蒸汽流动可能处于自由分子状态或者稀薄、真空状态，在这种情况下，由于不能获得连续的蒸汽流，热管的传热能力将受到限制，热管的这种传热极限即为连续流动极限。
    • 冷冻传热极限
      • 冷冻启动极限当热管从冷冻状态启动时，蒸发段的蒸汽可能在绝热段或冷凝段再次冷冻，导致蒸发段干涸，热管无法正常启动。
    • 冷凝传热极限
      • 冷凝极限热管最大传热能力可能受到冷凝段冷却能力的限制，不凝性气体的存在也将降低冷凝段的冷凝效率，但分析时一般假设冷凝段热量被完全带走或不存在不凝性气体。 冷凝极限:指由冷凝段的传热能力所制约的热管的传热极限
    • 冷启动极限
      • 冷冻启动极限:指热管在从冷冻状态启动的过程中，从蒸发段流来的蒸汽可能在绝热段或冷凝段再次冷凝而耗尽蒸发段流来的工作介质，导致蒸发段干涸，热管无法正常启动工作时的最大传热量。
  • 流动分析
    • 液体流动
      • 高流动性
      • 不同工质
      • 毛细作用
      • 多孔介质
    • 蒸汽流动
      • 盘腔流动
    • 流动模型
      • 凝结经验模型
      • 表面沸腾
      • 流动换热控制方程
• 面向对象
  • 类
    • 类名
    • 属性（类属性）
    • 方法
      • 实例属性（init）
      • 实例方法
  • 实例
• 植物叶脉结构
  • 分形角度 对 压降 和换热 的影响
  • 对称几何结构
    • 对称结构
    • 非对称结构
      • 对于降低压力方面具有重要作用
  • 叶脉结构
    • 平行式叶脉结构
    • 二分叉式叶脉结构
    • 网状叶脉结构
• 水分、能量不到1%
• 植物传输与散热
  • 毛细压力 渗透率
  • 运输原理
    • 吸水
      • 主动吸水
        • 蒸腾作用弱， 水分靠根系的渗透作用进行
      • 被动吸水
        • 蒸腾作用强，水分靠蒸腾作用的毛细力进行吸水
    • 运输
      • 长距离运输
        • 从植物根部吸收的水分运输到叶片的运输
      • 短距离运输
        • 细胞基质间的运输
  • 散热原理
    • 生理传热
      • 光合作用
      • 蒸腾作用
        • 二维箱变散热原理
    • 非生理传热
      • 对流
        • 直接和空气进行对流换热
      • 辐射
        • 通过电波的形式与所存在的空间进行热交换