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探索重力翅片管散热器的设计理论

  一、理论基础:

  重力翅片管散热器有隔热段、蒸发段、冷凝段三项管段。蒸发段和热源的接触中封装的工质由热源来吸热,形成了沸腾的蒸汽,并且通过隔热段上升到冷凝段。冷凝段和冷源(热汇)接触,工作温度较低,工质蒸汽在冷凝段管内表面凝结,并在重力作用下,回流至蒸发段,完成循环。由于重力翅片管内部没有“吸液芯”,冷凝液从冷凝段到蒸发段的回流是依靠其自身重力实现的。因此重力翅片管的工作具有一定的方向性,即蒸发段须位于在冷凝段下方。

  二、模型设计:

  该自循环式散热器是在遵循重力翅片管的传热原理前提下,结合空调系统制冷剂的循环流程,在周全考虑台式电脑内部空间限制的基础上,制作而成的散热装置。

  该散热器是用纯铜制作,纯铜是导热性较好的金属之一,它的导热系数有401W/(m·k),大大高于其它常用的金属材料,比如铝的导热系数是为237W/(mk),铁的导热系数是为80W/(mk),蒸发段里面的充灌制冷剂用作工质。理论说明,在制冷剂的充灌量为蒸发段容积的80%到90%时,翅片管散热器的散热效率越佳,故本装置工质的充灌量为蒸发段容积的85%。蒸发段纯铜容器用CPU自带的散热器夹子固定,同时为较小接触热阻,在容器背面与CPU直接接触处涂抹一层硅胶。

  由蒸发段容器顶部的平面,伸出有两根形状尺寸一样的冷凝管。冷凝管从上升段(竖直长度约100mm)和冷凝盘管段及下降段三部分构成,共同构成了散热器的冷凝段。在上升段中,制冷剂蒸汽沿管轴向升至冷凝盘管段人口处,进入冷凝盘管段。这里之所以设置上升段,其目的有二:一是保障冷凝段在蒸发段之上,达到重力翅片管工作的理论基础;二是使冷盘管段不正对CPU,保障其在较低的环境温度下工作,使制冷剂在管内的冷凝越加周全。

  制冷剂蒸汽在冷凝盘管段内冷凝成液体后,由蒸发段前端面的回注口注入纯铜容器中,继续吸收CPU散发的热量,沸腾蒸发,重复循环。为便于液体制冷剂之回流,减小其流动的阻力,冷疑管下降段采用倾斜设计,与水平方向有一定夹角,保障制冷剂液体能够顺利回流至蒸发段。

  冷凝盘管段的强化传热是翅片管散热器性能优化的关键。为了增加其散热力,在冷疑盘管段加翅片。翅片为铝制,重量较轻,并采用间距为1.8-2.5mm、片厚0.15~0.3mm的整体套片结构,以较大限度地增加换热面积,减小导热的热阻,并同时于翅片的一侧加装风扇,增添了空气侧对流换热的系数,继而使传热得到进一步强化。