-1-

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG NGUYỄN THÀNH SƠN NGHIÊN CỨU TÍNH CHẤT NHIỆT

CỦA ỐNG NHIỆT MAO DẪN
Chuyên ngành : Công Nghệ Nhiệt
Mã số : 60.52.80 TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
Đà Nẵng – Năm 2011

-2-
Công trình ñược hoàn thành tại
ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG

chế biến thực phẩm vv…
Tuy nhiên hiện nay ở Việt Nam, mặc dù trong sản xuất ñã có một
số rất ít xí nghiệp, nhà máy sử dụng sản phẩm ứng dụng công nghệ
ống nhiệt mao dẫn ñược nhập khẩu từ nước ngoài. Nhưng việc
nghiên cứu về ống nhiệt mao dẫn mới chỉ là những bước ñi ñầu tiên
tại các trường ñại học, nghiên cứu về mặt lý thuyết cũng như triển
khai ứng dụng của ống nhiệt mao dẫn còn ít. Đứng trước tình hình
tốc ñộ phát triển của các ngành công nghiệp diễn ra rất nhanh và nhu
cầu về tiết kiệm năng lượng ngày càng ñược chú trọng thì việc
nghiên cứu về ống nhiệt mao dẫn là hết sức cần thiết.
Chính vì vậy, ñể góp phần phổ biến kiến thức khoa học và thúc
ñẩy việc nguyên cứu về ống nhiệt mao dẫn tại Việt Nam, chúng tôi
chọn ñề tài: “Nghiên cứu tính chất nhiệt của ống nhiệt mao dẫn”.
2. Mục tiêu nghiên cứu
Nghiên cứu phương pháp tính toán thiết kế thiết bị trao ñổi nhiệt
làm b
ằng ống nhiệt mao dẫn dùng ñể làm mát các linh kiện ñiện tử
và tiến hành xây phần mềm nhằm giúp các nhà kỹ thuật thiết kế hoặc
kiểm tra công suất các thiết bị trao ñổi nhiệt làm bằng ống mao dẫn
-4-

một cách nhanh chóng và chính xác.
3. Nội dung nghiên cứu
- Nghiên cứu tổng quan về lĩnh vực ống nhiệt mao dẫn nói
chung, cũng như tổng quan về nghiên cứu lý thuyết tính chất nhiệt
của ống nhiệt mao dẫn nói riêng.
- Nghiên cứu tính chất nhiệt của ống nhiệt mao dẫn:
+ Nghiên cứu các thông số của bấc mao dẫn.
+ Nghiên cứu sự phụ thuộc của công suất nhiệt Q của ống nhiệt
mao dẫn vào ñộ chênh nhiệt ñộ phần sôi và phần ngưng ∆t ñể tìm

CHƯƠNG 1
TỔNG QUAN VỀ ỐNG NHIỆT MAO DẪN
1.1. GIỚI THIỆU VỀ ỐNG NHIỆT MAO DẪN
1.1.1. Nguyên lý hoạt ñộng của ống nhiệt mao dẫn
1.1.2. Ưu ñiểm của ống nhiệt mao dẫn
1.1.3. Ứng dụng của ống nhiệt mao dẫn
1.1.4. Lịch sử phát triển ống nhiệt mao dẫn
1.2. TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU ỐNG NHIỆT MAO DẪN
Hiện nay, trên nhiều lĩnh vực công nghiệp ứng dụng công nghệ ống
nhiệt mao dẫn ñều quan tâm ñến vấn ñề làm sao gia tăng ñược công
suất nhiệt của ống nhiệt mao dẫn.
Muốn nâng cao công suất nhiệt của ống nhiệt mao dẫn cần phải
xác ñịnh ñược bán kính lỗ mao dẫn hiệu dụng của bấc. Và trước ñây
thì có các phương pháp của Adkins [4], [5], Gupta [24], Bichenkov
[8]. Nhưng gần ñây, Pramod Chamarthy [33] ñã tiến hành phương
pháp mới sử dụng ñèn cực tím và máy quay phim có tấm lọc tia cực
tím ñể theo dõi chất lỏng có thuốc nhuộm huỳnh quang bay hơi qua
c
ấu trúc bấc, sau ñó sử dụng thuật toán xử lý và thiết lập công thức
quan hệ giữa lượng bay hơi của thuốc nhuộm huỳnh quang theo thời
gian, rồi từ ñó xác ñịnh ñược ñường kính trung bình của lỗ mao dẫn.
-6-

Để tận dụng ñược ñặc tuyệt vời của nước so với các môi chất khác
nhằm nâng cao công suất nhiệt (ñối với nguồn phát nhiệt có nhiệt ñộ
trên 150
o
C), Sarraf và Anderson [24] ñã nghiên cứu vật liệu làm vỏ,
bấc mới thay thế cho ñồng, ñó là Titanium và Monel (loại vật liệu có
ñộ bền cao). Đồng thời ñể tận dụng ưu ñiểm của cấu trúc bấc dạng

-7-

tối ưu, và kích thước hạt nano càng nhỏ thì tác ñộng càng rõ ñến
nhiệt trở của ống nhiệt mao dẫn. Và theo tác giả [46] thì với ống
nhiệt mao dẫn (ñường kính ngoài 4 mm, chiều dày 1 mm, chiều dài
300 mm) có cấu trúc bấc lưới tròn (ñường kính sợi 50 µm và 7874
sợi/m) sử dụng chất lỏng nano gồm nước và các hạt nano Al
2
O
3
có tỷ
lệ thể tích 3,0% thì ñạt công suất nhiệt lớn nhất (cao hơn xấp xỉ 65%
so với khi dùng nước).

CHƯƠNG 2
CƠ SỞ LÝ THUYẾT TÍNH TOÁN ỐNG NHIỆT MAO DẪN
2.1. CẤU TẠO ỐNG NHIỆT MAO DẪN
2.1.1. Môi chất nạp vào ống nhiệt mao dẫn
2.1.1.1. Các yêu cầu cơ bản của môi chất nạp vào ống nhiệt
mao dẫn
2.1.1.2. Các loại môi chất nạp ống nhiệt mao dẫn
2.1.1.3. Tính phù hợp
Tính phù hợp là sự tác dụng tương hỗ giữa môi chất nạp và vật
liệu làm ống, làm bấc. Nó là một ñặc tính quan trọng cơ bản liên
quan ñến việc lựa chọn môi chất, bấc và vỏ của ống nhiệt mao dẫn.
2.1.1.4. Hệ số ñặc trưng M của ống nhiệt mao dẫn
Trong ống nhiệt mao dẫn, hệ số ñặc trưng M thể hiện tính chất
vật lý của môi chất nạp, môi chất nào có giá trị M lớn sẽ cho công
suất nhiệt lớn. Theo [2], hệ số ñặc trưng M ñược xác ñịnh theo công
thức:

cap,max
≥ ∆P
l
+

∆P
h
+ ∆P
e,δ
+ ∆P
c,δ
+

∆P
g
(2.2)
Và thông thường ∆P
e,δ
và ∆P
c,δ
không ñáng kể nên ta có thể viết
lại như sau:
∆P
cap,max
≥ ∆P
l
+

∆P
h

effl
l
AK
mL
Pρ
µ
=∆
(2.7)
-9-

- Đối với cấu trúc rãnh (theo công thức (2.34), [25]):

rNd
LQ
P
ltd
effl
l
.'
2
1
.
8
4
ρπ
µ


+ ∆P
hn









++=
22
.

8
4
n
a
s
hh
h
L
L
L
r
m
ρπ
µ
(2.10)

(2.12)
- Trường hợp nối tiếp: Hệ số dẫn nhiệt hiệu dụng của bấc xác
ñịnh theo công thức (4.31), [2]:

( )
ελλε
λλ
λ
−+
=
1
.
lr
rl
eff
(2.13)
2.2.2.1. Hệ số dẫn nhiệt hiệu dụng của bấc lưới
-10-

2.2.2.2. Hệ số dẫn nhiệt hiệu dụng của bấc thiêu kết bột kim loại
2.2.2.3. Hệ số dẫn nhiệt hiệu dụng của bấc rãnh
2.2.2.4. Hệ số dẫn nhiệt hiệu dụng của bấc vành khuyên hở
2.2.2.5. Hệ số dẫn nhiệt hiệu dụng của bấc lưới bao phủ rãnh
2.2.2.6. Hệ số dẫn nhiệt hiệu dụng của bấc thiêu kết sợi kim loại
2.2.3. Tính công suất nhiệt của ống nhiệt mao dẫn
2.2.3.1. Công suất nhiệt toàn bộ
Công suất nhiệt toàn bộ của ống nhiệt mao dẫn Q [W] theo [25]
ñược xác ñịnh theo ñộ chênh nhiệt ñộ toàn bộ ∆t và tổng nhiệt trở R.
s
wzwz

3
, R
4
, R
5
, R
6
, R
7
, R
8
, R
9
,

R
s
– các thành phần nhiệt trở
của ống nhiệt mao dẫn, [
o
C/W].
2.2.3.2. Công suất nhiệt trong
Theo các tác giả [2], [13] thì nhiệt trở chuyển pha R
4
, R
6
và R
5
có
giá trị rất nhỏ so với các thành phần còn lại nên có thể coi chúng

Công suất nhiệt giới hạn của ống nhiệt là giá trị công suất nhiệt
lớn nhất của ống nhiệt có thể ñạt ñược. Đối với ống nhiệt mao dẫn
thì có 5 loại công suất nhiệt giới hạn :
2.2.4.1. Giới hạn âm thanh
Giới hạn âm thanh ñược xác ñịnh theo công thức (4.76), [2]:

hhha
prAQ 474,0
max,
ρ
= (2.47)
2.2.4.2. Giới hạn lôi cuốn
Giới hạn lôi cuốn ñược xác ñịnh theo công thức (4.78), [2]:

z
r
AQ
lh
hlc
σρπ
2
.
2
max,
= (2.49)
2.2.4.3. Giới hạn mao dẫn
Giới hạn mao dẫn ñược tính theo công thức (2.99), [25]:




Q







−=
φ
σ
ρ
sin.

2
.
.
.
l
effl
effeff
w
Lg
rL
AK
M
(2.50)

.
ln
2
cap
n
l
h
i
h
heffs
s
P
r
r
r
r
TL
Q
σ
ρ
λπ
(2.53)

-12-

2.2.5. Các nhân tố ảnh hưởng tới công suất nhiệt của ống nhiệt
mao dẫn
2.2.5.1. Ảnh hưởng của cấu trúc bấc
Theo [41] ñã xét sự ảnh hưởng của loại cấu trúc bấc ñối với ống
nhiệt mao dẫn có công suất nhiệt Q = 10W, ñường kính Φ = 3mm

ống
ñứng theo hướng trọng trường

Chiều dài (mm)
Chiều dài (mm)
rãnh

sợi xoắn ốc

lưới

thiêu k
ết bột
kim loại
rãnh

sợi xoắn ốc

lưới

thiêu kết

-13-


70
o
C, góc nghiêng thay ñổi từ -10
o
 -60
o
. Kết quả thí nghiệm có
ñược góc nghiêng Φ
tu
= -15
o
 -30
o
và ống nhiệt mao dẫn hoạt ñộng
khá tốt ở Φ = 0
o
nhưng ống sẽ không hoạt ñộng ñược khi góc
nghiêng Φ > 10
o
(ngược hướng trọng trường).
Hình 2.26 – S
ự ảnh hưởng của l ñ
ối
với Q
max
của ống nhiệt mao dẫn
Nhiệt ñộ làm việc (
o
C)


ở hai giá trị nhiệt ñộ hơi trong
ống t
h
= 50
o
C và 70
o
C, ở lượng nạp thay ñổi từ ξ = 30%  70%. Kết
quả cho thấy ở ñây tồn tại giá trị lượng nạp tối ưu ξ
tu
ứng với nó
công suất nhiệt ñạt giá trị lớn nhất. Giá trị nạp tối ưu ở ñây là 40% 
50% (giá trị lớn ở nhiệt ñộ hơi lớn và ngược lại). Khi nạp chất lỏng
nhỏ hơn hoặc lớn hơn ñều dẫn tới sự giảm công suất nhiệt.

CHƯƠNG 3
NGHIÊN CỨU TÍNH TOÁN THIẾT KẾ THIẾT BỊ
TRAO ĐỔI NHIỆT LÀM BẰNG ỐNG NHIỆT MAO DẪN
Trong luận văn, chúng tôi nghiên cứu tính thiết kế thiết bị trao ñổi
nhiệt làm bằng ống nhiệt mao dẫn ñể làm mát các linh kiện ñiện tử.
3.1. PHƯƠNG PHÁP TÍNH
Thiết bị trao ñổi nhiệt làm bằng ống nhiệt mao dẫn (TBTĐN-
ONMD) (hình 3.1) có phần nhận nhiệt gắn với bề mặt phát nhiệt của
linh kiện ñiện tử thông qua tấm lắp ráp, phần giải nhiệt có làm cánh
bên ngoài, bề mặt trong của ống có gắn bấc, bên trong có nạp môi
chất. Nhiệt ñộ bề mặt linh kiện ñiện tử gắn với tấm lắp ráp có nhiệt
ñộ t
z
, không khí lạnh bên ngoài có nhiệt ñộ t
w

- Các thông số của linh kiện ñiện tử và quạt
- Nhiệt ñộ môi trường
- Yêu cầu không gian lắp ñặt
- Độ phức tạp
Chọn loại vật liệu làm vỏ:
- Phù hợp với chất lỏng làm việc
- Phù hợp với môi trường xung quanh
Chọn loại môi chất làm việc:
- Hệ số ñặc trưng M
- Khoảng nhiệt ñộ làm việc
- Những yêu cầu khác
Chọn loại bấc, kích thước bấc và vật liệu làm bấc:
- Cột áp mao dẫn yêu cầu
- Vật liệu làm bấc phù hợp với vỏ và môi chất
Tính toán các công suất giới hạn Q
max
:
- Giới hạn bấc
- Giới hạn lôi cuốn
- Giới hạn sôi
Q
max
> Q ?
Xác ñịnh các nhiệt trở, sau ñó tính công suất
nhiệt của 1 ống nhiệt mao dẫn Q
Kích thước TBTĐN có
phù hợp không ?
Lựa chọn thiết kế về nhiệt, cơ khí và các phương án ki
ểm
tra ñể ñảm bảo tối ưu (lựa chọn phương pháp chế tạo)

1
hàng, k
2
cột trên tấm lắp ráp của các IBGT.
Khi ñó: nhiệt ñộ t
z
= t
jmax
– Q
IBGT
.R
th(j-c)
và công suất của bộ trao
ñổi nhiệt làm bằng ống nhiệt mao dẫn : Q
hi
= k
1
.k
2
.Q
IBGT
, [W].
- Thông số của quạt giải nhiệt: chiều dài quạt a
q
, chiều rộng quạt
b
q
, lưu lượng V
kk
và số lượng quạt k

a
và
góc nghiêng Φ.
- Ở phần nhận nhiệt của TBTĐN-ONMD do tấm lắp ráp làm
bằng vật liệu nhôm có hệ số dẫn nhiệt λ
t
lớn và ống nằm trong tấm
lắp ráp nên có thể xem phân bố nhiệt ñộ xung quanh ống ñồng ñều.
Và thông s
ố bước ống ngang s
1
[m] ñược chọn trên cơ sở ñảm bảo
ñiều kiện áp dụng công thức (3.35) theo [56] thì
8,314,20
1
≤≤ s
mm.
-17-

Hình 3.6 – Phần giải nhiệt của bộ trao ñổi
nhiệt làm bằng ống nhiệt mao dẫn
d
e

t
c

z
c


cc
z
δ
mm, và
327,12
2
≤≤ s
mm.
3.2.2. Chọn môi chất nạp
Ứng với khoảng nhiệt ñộ làm việc 30  150
o
C thì nước là môi
chất có ñặt tính nhiệt tốt nhất nên nó ñược chọn là môi chất làm việc.
3.2.3. Ch
ọn vật liệu làm vỏ ống, cánh tản nhiệt và tấm lắp ráp
Vì ñồng là loại vật liệu có khả năng dẫn nhiệt tốt nhất, dễ gia
công chế tạo ống nhiệt mao dẫn nên ñồng ñược chọn là vật liệu làm
Hình 3.5 – M
ặt cắt tại phần nhận nhiệt
d
e
,d
i
, λ

δ
t
, λ
t
δ

c
là chiều dày cánh tản nhiệt).
Để ñảm bảo hiệu quả trao ñổi nhiệt, gia công và tính hiệu quả
kinh tế thì cánh tản nhiệt ở phần ngưng làm bằng ñồng và tấm lắp ráp
ñể gắn linh kiện ñiện tử ở phần sôi ñược làm bằng vật liệu nhôm.
3.2.4. Chọn loại bấc, vật liệu làm bấc và kích thước bấc mao dẫn
Để ñảm bảo công suất nhiệt của bộ trao ñổi nhiệt thì cấu trúc bấc
kết hợp nhiều lưới và cấu trúc bấc lưới bao phủ rãnh ñược sử dụng
ñể làm bấc cho ống nhiệt mao dẫn bởi vì chúng là loại cấu trúc bấc
ñơn giản và dễ chế tạo nhất. Và vật liệu ñồng, niken thường ñược
chọn làm lưới vì có hệ số dẫn nhiệt lớn và dễ chế tạo thành lưới có
hệ số mesh (số mắt lưới trên chiều dài 1 in tức là 25,4 mm) lớn.
Việc chọn kích thước bấc mao dẫn phải ñảm bảo sao cho các
thông số của bấc : bán kính lỗ mao dẫn hiệu dụng r
eff
, ñộ rỗng ε, ñộ
thẩm thấu K và hệ số dẫn nhiệt hiệu dụng λ
eff
hợp lý, tức là ñảm bảo
công suất nhiệt của TBTĐN-ONMD cần thiết kế.
3.2.5. Tính công suất nhiệt của một ống nhiệt mao dẫn
Để xác ñịnh ñược công suất nhiệt Q, cần giải hệ phương trình:

( ) ( )
739821
RRRRRR
tt
RR
tt
R

+
=
(3.16)









+=
nsieff
w
i
LLd
R
11
.

πλ
δ
(3.17)

Ở ñây theo các công thức sổ tay kỹ thuật nhiệt ta có thể dễ dàng
xác ñịnh ñược các nhiệt trở ngoài R
1
, R
2

, R
8
, R
9
; rồi từ (3.15) tính ñược Q (Q’).
- Bước 3 : Thay Q vào (3.16) tính ñược nhiệt ñộ hơi nước t
h
.
- Bước 4 : Từ giá trị t
h
ñã tính, tra bảng thông số vật lý của nước
ñể xác ñịnh ñược hệ số dẫn nhiệt của nước λ
l
. Rồi sau ñó tính hệ số
dẫn nhiệt hiệu dụng λ
eff
theo công thức (3.10) hoặc (2.28).
- Bước 5 : Thay giá trị λ
eff
ñã tính vào (3.17) tính lại ñược R
i
.
- Bước 6 : Từ R
i
(của bước 5) tính lại giá trị Q (Q”) theo công
thức (3.15).
- Bước 7: Tính sai số
'
"
1





+
=
e
tñe
st
d
d
L
R
δ
λπ
ln.
2
1
1
, [
o
C/W] (3.19)
- Nhi
ệt trở dẫn nhiệt qua vách ống ở phần sôi:







δ
=
, [
o
C/W] (3.21)
Ở ñây: diện tích bề mặt bấc ở phần sôi: A
w,s
= π.d
i
.L
s
, [m
2
]
- Nhiệt trở của bấc mao dẫn trong phần ngưng:

nweff
w
A
R
,
7
.
λ
δ
=
, [
o
C/W] (3.22)
Ở ñây: diện tích bề mặt bấc ở phần ngưng: A

, [
o
C/W] (3.23)
- Nhiệt trở của nguồn làm mát:

new
A
R
,
9
.
1
α
= , [
o
C/W] (3.24)
3.2.6. Tính công suất giới hạn của ống nhiệt mao dẫn
Đối với ống nhiệt mao dẫn dùng chất lỏng không phải là kim loại
lỏng thì chỉ cần quan tâm ñến các công suất giới hạn mao dẫn, giới
hạn lôi cuốn và giới hạn sôi.
3.2.6.1. Giới hạn mao dẫn
3.2.6.2. Giới hạn lôi cuốn
3.2.6.3. Giới hạn sôi
3.2.7. Kiểm tra sự hoạt ñộng của ống nhiệt mao dẫn
Ống nhiệt mao dẫn hoạt ñộng bình thường khi ñảm bảo ñiều kiện:
Q < Q
cap,max

Q < Q
a,max

a
+ L
n

- Chiều dài tấm lắp ráp : a = k
2
. a
IBGT

- Chiều rộng tấm lắp ráp : b = k
1
.b
IBGT

- Độ dày của tấm lắp ráp : h = s
1

- Chiều rộng của cánh tản nhiệt : b
c
= s
2

- Chiều dài của cánh tản nhiệt : a
c
= s
1
.n
ống
(3.38)
- Số lượng cánh tản nhiệt :

phần mềm tính toán theo sơ ñồ thuật toán sau (hình 4.1):
-22-

ε ≤ [ε]
Đ
Đ
Đ
START
Chọn loại bấc và nhập các thông số yêu cầu
Q < Q
max

Tính các thông số cấu trúc thiết bị trao ñổi nhiệt :
L, L
s
, L
n
, a, b, h, a

wz
RR
tt
Q
+
−
=
(1’)
- Tính ñược t
h
từ phương trình:

(
)
(
)
[
]
2
2
2198
RRRRQtt
t
wz
h
+−+
+
+
=
(2’)

δ
(3’)
- Thay R
i
vào (1’) tính lại ñược Q
ss

- Tính sai số :
Q
Q
ss
−= 1
ε

-23-

4.2. PHẦN MỀM TÍNH TOÁN THIẾT KẾ THIẾT BỊ TRAO
ĐỔI NHIỆT LÀM BẰNG ỐNG NHIỆT MAO DẪN
Phần mềm ñược thiết kế dựa trên ngôn ngữ lập trình Visual Basic
6.0 bao gồm có 3 nội dung chính:
- Tính toán các thông số nhiệt vật lý của môi chất.
- Xác ñịnh công suất nhiệt Q, và các công suất giới hạn Q
max
.
Sau ñó kiểm tra sự hoạt ñộng của ống nhiệt mao dẫn.
- Xác ñịnh và kiểm tra các thông số cấu trúc thiết bị.
Phần mềm ñược thiết kế gồm hai phần chính:
- Phần giao diện chương trình gồm : form chính MDIMAIN và
các form phụ.
- Phần tính toán các thông số, xử lý dữ liệu gồm có : form thiết


Hình 4.3 – SSTab Nhập thông số của Đề án
(ñối với bấc kết hợp nhiều lưới)
Hình 4.4 – SSTab Nh
ập thông số yêu cầu
(ñối với bấc kết hợp nhiều lưới)
-25-
Ngoài ra còn có Form thiết kế với bấc lưới bao phủ rãnh
hình chữ nhật gồm có 3 SSTab : Nhập thông số ñề án, nhập thông
số yêu cầu và kết quả thiết kế.
KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI
1. Kết luận

)
[
]
2
2
2198
RRRRQtt
t
wz
h
+
−
+
+
+
=







+=
nsieff
w
i