1引言
隨著科技的進步,電子元器件尺寸越來越小,集成度越來越高,熱流密度顯著增加,而有效散熱是保證設(shè)備正常工作的必要條件?熱管誕生于20世紀60年代,隨后包括中國?美國等國家及組織開展了大量的研究工作,推動了熱管的技術(shù)發(fā)展及應(yīng)用?典型的熱管由管殼?吸液芯和工質(zhì)組成,當熱管的一端受熱時,熱管中的液體蒸發(fā)汽化,蒸汽在微小壓差作用下流向另一端,釋放熱量并凝結(jié)成為液體,液體再靠毛細力的作用返回蒸發(fā)段?如此循環(huán)不已,即將熱量由熱管的一端輸運至另一端?熱管有兩類常用的工質(zhì)回流結(jié)構(gòu),燒結(jié)芯結(jié)構(gòu)和溝槽結(jié)構(gòu)?其中燒結(jié)內(nèi)壁的熱管受重力影響小,抗重力性能好,具有更好的環(huán)境適應(yīng)性;但一般長度有限;溝槽內(nèi)壁的熱管性能很大程度上取決于熱管的安裝方向,抗重力性能差?本文針對工程應(yīng)用的需要,基于燒結(jié)芯熱管設(shè)計了一種內(nèi)嵌熱管式散熱器,通過錫焊降低熱管和殼體的熱阻,提高了散熱器的傳熱性能和環(huán)境適應(yīng)性?
2熱管散熱器設(shè)計
某電子設(shè)備中熱源尺寸150mm×30mm,熱耗40W,熱源集中在設(shè)備內(nèi)部,需要導(dǎo)出到設(shè)備外部進行風(fēng)冷散熱,設(shè)備外部可用空間長度為50mm,厚度≤10mm?
根據(jù)熱源的分布特點,需要將熱量導(dǎo)出到設(shè)備外部進行冷卻?熱管散熱器是一種很好的解決方案,考慮到熱源的安裝,熱管散熱器的設(shè)計采用內(nèi)嵌熱管的方式,同時考慮到環(huán)境適應(yīng)性,選用燒結(jié)芯結(jié)構(gòu)熱管,熱管和殼體之間通過緊配合或錫焊的方式連接?設(shè)計的熱管散熱器的尺寸為200mm×30mm×5mm,散熱器采用內(nèi)嵌三根熱管的方式,熱管由?6mm的燒結(jié)熱管壓扁至厚度4mm,長度200mm,與散熱器的長度尺寸一致?熱管散熱器以及翅片尺寸如圖1所示,考慮到性能驗證以及連接方式的驗證需要,共制造了三個散熱器樣件?
3熱管散熱器性能測試裝置
散熱器性能測試是采用電加熱模擬熱源,將模擬熱源貼在散熱器上,通過監(jiān)測散熱器的溫度分布來判斷散熱器的性能好壞?整個試驗裝置主要包括溫度采集模塊(4路)?溫度顯示模塊?電加熱模塊(模擬熱源)?風(fēng)扇以及0—220V電壓可調(diào)交流電源?圖2是散熱器性能測試系統(tǒng)實物圖?其中溫度采集模塊有四個通道,可同時測量四路溫度數(shù)據(jù),這四路溫度數(shù)據(jù)可以在溫度顯示模塊實時顯示和記錄,試驗結(jié)束后可將過程測試數(shù)據(jù)導(dǎo)出進行分析?四路溫度采集通道依次命名為ch1—ch4,ch1—ch4對應(yīng)的溫度傳感器在散熱器上的位置分布如圖3所示?
散熱器性能測試試驗采用熱平衡法,即通過電加熱模塊對散熱器熱端進行加熱以模擬熱源負載,通過風(fēng)機在散熱器翅片端進行冷卻,當散熱器溫度平衡時(5分鐘內(nèi)變化小于0.5℃),則此時的熱功率即為散熱器的散熱量?通過散熱器的平衡溫度相對環(huán)境溫度的溫升?平衡溫度的最大差值可判斷散熱器的性能?
4試驗結(jié)果及分析
為了便于分析說明各因素對散熱器性能的影響,定義以下兩個參數(shù):
(1) ΔTmax:表示散熱器的溫升,即該組試驗過程中ch1—ch4四個溫度通道的測量值與環(huán)境溫度差值的最大值;
(2) (2)UTa:表示熱管散熱器的溫度均勻性,即該組試驗過程中同一時刻ch1—ch4四個溫度通道的測量值的最大差值?
4.1熱管散熱器裝配工藝對性能的影響
圖4是三個試驗樣件在加熱功率20W和40W時的散熱器溫度均勻性值對照圖?從圖中可以看出,樣件1相比樣件2和樣件3,整體溫度均勻性最差,而樣件2和樣件3的溫度均勻性相差不大?樣件1產(chǎn)生巨大差異的原因在于熱管直接裝配至殼體內(nèi)部,裝配存在氣隙,導(dǎo)致熱管和散熱器殼體之間有較大的接觸熱阻,不利于導(dǎo)熱?樣件2和樣件3采用錫焊的方式,焊錫充滿整個間隙,可以保證熱管和殼體之間充分接觸,接觸熱阻小,因此溫度均勻性好?
4.2散熱器性能特性
圖5?圖6是風(fēng)冷條件下風(fēng)速11m/s和風(fēng)速5.5m/s時,樣件3的性能隨加熱功率在30W—40W范圍變化時的最大溫升?溫度均勻性特性對比圖?從圖中可以看出,風(fēng)速提高之后,提高了對流換熱系數(shù),增強了散熱器翅片的散熱效果,散熱器的最大溫升降低了10℃左右,在30W的熱功率條件下散熱器的最大溫升僅為28.4℃,溫度均勻性的最大值(峰-峰值)為5.1℃?
4.3熱管散熱器放置傾斜角度對散熱性能的影響
表1是風(fēng)速5m/s時,樣件2在水平放置和傾斜45°放置時的最大溫升?溫度均勻性特性?從表中可以看出,散熱器在傾斜45°放置時的最大溫升降低了約7℃左右,這主要是由于重力的作用加速了冷凝端液體回流的速度,因此換熱量增加,最大溫升降低?
4.4高溫環(huán)境條件下散熱器性能的影響
表2是樣件3在30℃和60℃環(huán)境溫度條件下,風(fēng)速11m/s時,加熱功率為30W和35W時的最大溫升?溫度均勻性?熱端的溫度均勻性特性值?從表中結(jié)果對比可以發(fā)現(xiàn):隨著環(huán)境溫度的增高,同等條件下散熱器的最大溫升會有一定的增大,同時溫度均勻性也相應(yīng)變差?
5結(jié)論
本文依托工程應(yīng)用需求,開展了內(nèi)嵌熱管型散熱器的研究工作,通過對散熱器的設(shè)計?連接形式?散熱性能以及環(huán)境適應(yīng)性的測試?分析,得到以下4點結(jié)論:
(1) 內(nèi)嵌熱管散熱器制作時需要有效降低接觸熱阻,熱管和殼體之間宜采用錫焊等低熱阻的連接形式;
(2) 熱管散熱器翅片面積和風(fēng)速是影響散熱性能的關(guān)鍵,在散熱器翅片一定的條件下,增大風(fēng)速可有效改善散熱器的性能;
(3) 燒結(jié)芯熱管散熱器在不同傾斜角度時性能會有一定的差異,如果重力能加速蒸發(fā)端液體的回流,散熱器的性能會相應(yīng)提高;
(4)不同環(huán)境條件下,熱管散熱器在相同熱源功率的最大溫升不是均勻提高的;隨著環(huán)境溫度的增高,同等條件下散熱器的最大溫升會有一定的增大,同時溫度均勻性相應(yīng)變差;因此,熱管散熱器設(shè)計要留一定的裕量以滿足高溫環(huán)境條件下的性能要求?
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