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强光源散热器设计及其传热特性试验研究点击：1628 日期：[ 2014-04-26 22:32:16 ] |
| 摘要:介绍了新型回路并行式热管以及用此热管作为强光源散热器的结构设计。对散热器的传热性能进行了试验研究,重点研究了充液量、输入功率和工作角度对散热器性能的影响。 关键词:散热器;热管;强光源;传热性能 投影系统采用的金属卤素灯泡、ＵＨＥ灯泡、ＵＨＰ灯泡、大型天文望远镜聚焦面等都属于强光源系统,它们具有发热量大、温度高、单位热流密度大、散热空间小及可靠性要求高的特点。高温使得所使用仪器的性能降低,工作效率低下,寿命也会大为缩短。因此,解决强光源系统的散热问题显得越来越重要。目前,市场产品的散热手段和方法还停留在铝型材+风扇阶段,此种方法所能承受的最大热流密度较低,不能满足大功率工况的要求。大型天文望远镜的焦面散热问题是强光源散热的典型实例。常用的散热方式是水通过焦面强制冷却,这种方式有一些缺点:①长期使用后内壁容易结垢,换热效果降低,而且不宜除垢。②望远镜工作角度连续转动,焦面要在真空状态下工作,水管的渗漏会导致昂贵仪器的损坏。由于焦面体积小,内部结构复杂,热流密度高,旋转角度范围大(3°<θ≤90°),布置普通热管难度很大,不容易达到技术要求。因此,我们设计了回路并行式热管(ＬｏｏｐｅｄＰａｒａｌｌｅｌＨｅａｔｐｉｐｅ,简称ＬＰＨ)散热器来解决焦面的散热问题,并对其传热性能进行了试验研究。试验和应用结果表明,使用回路并行式热管有如下优点[1]:①热管具有高导热性能,可以将处于真空环镜中的焦面接收的热量迅速传至镜筒外。②热管内工质的循环依靠重力作用,无需外加动力,因而不需要循环泵和相应的管道。③热管可以做成不同的形式,冷、热段可以严格分开,极大地提高了可靠性,根据实际发热量和需要,冷却段可采取强迫风冷、自然冷却和液体冷却等措施。 1 回路并行式热管 回路并行式热管又称为回路并行式热虹吸管(ＬｏｏｐｅｄＰａｒａｌｌｅｌＴｈｅｒｍｏｓｙｐｈｏｎ,简称ＬＰＴ),它是一种新概念热虹吸管,是由两根直管段和两个Ｕ形弯头连接起来的一种热管形式。回路并行式热管的工作原理和结构特点与普通的热虹吸管有很大的差异[2,3]。单根热虹吸管的工作原理见图1,工作液体在内部从蒸发到冷凝,然后在重力的作用下回流到蒸发端,蒸汽和冷凝液在同一根管子内部流动。回路热管(ＬｏｏｐｅｄＨｅａｔＰｉｐｅ,简称ＬＨＰ)或者是回路热虹吸管(ＬｏｏｐｅｄＴｈｅｒｍｏｓｙｐｈｏｎ)见图2,一侧加热另一侧冷却,蒸汽上升和冷凝液回流在不同的通道中进行,液体和蒸汽在回路管内部形成循环。回路并行式热管见图3,两侧同时加热和冷却,工作液体在蒸发段蒸发汽化,蒸汽同时沿着两侧管上升,同时沿壁面冷却回流。此外回路并行式热管还具有如下的一些基本特点:①内部吸液芯和绝热段可有可无。②加热段的布置位置和加热方式灵活。③无需外加动力,主要依靠重力回流,在很小角度的情况下能产生循环来工作,同时传递工作液体的潜热和显热。内部工作液体的流动方式会随着角度的不同而改变。 2 散热器结构设计及其工作方式 2.1 散热器结构设计 根据技术要求和回路并行式热管的工作特性,用于天文望远镜焦面的散热器设计成如图4所示的整体式回路并行热管结构,由蒸发腔和回路管组成,形成一个整体的回路并行式热管散热器。蒸发腔的轴线和筒体的轴线重合,管子伸出方向为筒体的径向方向。进入望远镜的光聚集在蒸发腔呈45°的倾斜聚焦面上,所聚集的太阳光一部分由镜面反射到大气,一部分转变成热被焦面吸收,导致焦面温度升高。同时有用的观测光线通过聚焦面的小孔,进入位于中心体的圆锥体通光道。聚焦面吸收的热量通过蒸发腔内部工作介质发生相变变成汽体,汽体在压差的推动下到达Ｕ形管顶部的冷却段,汽体在冷却段冷凝变成液体后回流到蒸发腔。 2.2 散热器工作方式及影响因素 由于散热器随着望远镜筒体在3°<θ≤90°内转动,因此,蒸发腔体的轴线与水平面的角度也在3°～90°变化。当θ=90°时,工作液体完全充满45°斜面形成的尖角,焦面淹没在工作液体之下;随着θ的增大,工作液体由于重力的作用,浸没焦面的面积逐渐减小;当θ=3°时,浸没焦面的面积达到最小,见图5。液面的高度变化导致液体的蒸发温度发生变化,进而影响到聚焦面热流也发生改变。 回路并行式热虹吸管内液体回流的动力来自冷凝液自身重力沿管长方向的分量,同时还受到蒸汽和壁面的摩擦阻力以及冷、热两段由于压差产生的作用力。由于散热器的工作角度不断从大到小变化,使得回流的分力也随着从大到小变化。在小角度的时候,重力的分量远大于其余阻力之和,内部工作液体的流动情况见图5ｂ,管壁温度及变化趋势一致。当大角度时,冷凝液重力的分量小于其余阻力之和,其流动情况见图5ａ,此时上部管子壁面温度高于下部管子壁面温度,工作液体在管子内腔形成大回路循环,蒸汽由上部管子流动,而冷凝液体则由下部管子回流到蒸发段[4]。 根据以上分析可知,影响散热器散热性能的主要因素为充液量、工作倾角和结构参数等。文中主要对充液量和工作角度对散热器性能的影响进行试验研究。 |
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