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内嵌热管型散热器设计研究

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1引言

随着科技的进步,电子元器件尺寸越来越小,集成度越来越高,热流密度显著增加,而有效散热是保证设备正常工作的必要条件。热管诞生于20世纪60年代,随后包括中国、美国等国家及组织开展了大量的研究工作,推动了热管的技术发展及应用。典型的热管由管壳、吸液芯和工质组成,当热管的一端受热时,热管中的液体蒸发汽化,蒸汽在微小压差作用下流向另一端,释放热量并凝结成为液体,液体再靠毛细力的作用返回蒸发段。如此循环不已,即将热量由热管的一端输运至另一端。热管有两类常用的工质回流结构,烧结芯结构和沟槽结构。其中烧结内壁的热管受重力影响小,抗重力性能好,具有更好的环境适应性;但一般长度有限;沟槽内壁的热管性能很大程度上取决于热管的安装方向,抗重力性能差。本文针对工程应用的需要,基于烧结芯热管设计了一种内嵌热管式散热器,通过锡焊降低热管和壳体的热阻,提高了散热器的传热性能和环境适应性。

2热管散热器设计

某电子设备中热源尺寸150mm×30mm,热耗40W,热源集中在设备内部,需要导出到设备外部进行风冷散热,设备外部可用空间长度为50mm,厚度≤10mm

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根据热源的分布特点,需要将热量导出到设备外部进行冷却。热管散热器是一种很好的解决方案,考虑到热源的安装,热管散热器的设计采用内嵌热管的方式,同时考虑到环境适应性,选用烧结芯结构热管,热管和壳体之间通过紧配合或锡焊的方式连接。设计的热管散热器的尺寸为200mm×30mm×5mm,散热器采用内嵌三根热管的方式,热管由ϕ6mm的烧结热管压扁至厚度4mm,长度200mm,与散热器的长度尺寸一致。热管散热器以及翅片尺寸如图1所示,考虑到性能验证以及连接方式的验证需要,共制造了三个散热器样件。

3热管散热器性能测试装置

散热器性能测试是采用电加热模拟热源,将模拟热源贴在散热器上,通过监测散热器的温度分布来判断散热器的性能好坏。整个试验装置主要包括温度采集模块(4)、温度显示模块、电加热模块(模拟热源)、风扇以及0—220V电压可调交流电源。图2是散热器性能测试系统实物图。其中温度采集模块有四个通道,可同时测量四路温度数据,这四路温度数据可以在温度显示模块实时显示和记录,试验结束后可将过程测试数据导出进行分析。四路温度采集通道依次命名为ch1—ch4,ch1—ch4对应的温度传感器在散热器上的位置分布如图3所示。

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散热器性能测试试验采用热平衡法,即通过电加热模块对散热器热端进行加热以模拟热源负载,通过风机在散热器翅片端进行冷却,当散热器温度平衡时(5分钟内变化小于0.5℃),则此时的热功率即为散热器的散热量。通过散热器的平衡温度相对环境温度的温升、平衡温度的最大差值可判断散热器的性能。

4试验结果及分析

为了便于分析说明各因素对散热器性能的影响,定义以下两个参数:

(1) ΔTmax:表示散热器的温升,即该组试验过程中ch1—ch4四个温度通道的测量值与环境温度差值的最大值;

(2) (2)UTa:表示热管散热器的温度均匀性,即该组试验过程中同一时刻ch1—ch4四个温度通道的测量值的最大差值。

4.1热管散热器装配工艺对性能的影响

4是三个试验样件在加热功率20W40W时的散热器温度均匀性值对照图。从图中可以看出,样件1相比样件2和样件3,整体温度均匀性最差,而样件2和样件3的温度均匀性相差不大。样件1产生巨大差异的原因在于热管直接装配至壳体内部,装配存在气隙,导致热管和散热器壳体之间有较大的接触热阻,不利于导热。样2和样件3采用锡焊的方式,焊锡充满整个间隙,可以保证热管和壳体之间充分接触,接触热阻小,因此温度均匀性好。

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4.2散热器性能特性

5、图6是风冷条件下风速11m/s和风速5.5m/s,样件3的性能随加热功率在30W—40W范围变化时的最大温升、温度均匀性特性对比图。从图中可以看出,风速提高之后,提高了对流换热系数,增强了散热器翅片的散热效果,散热器的最大温升降低了10℃左右,30W的热功率条件下散热器的最大温升仅为28.4℃,温度均匀性的最大值(-峰值)5.1℃

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4.3热管散热器放置倾斜角度对散热性能的影响

1是风速5m/s,样件2在水平放置和倾斜45°放置时的最大温升、温度均匀性特性。从表中可以看出,散热器在倾斜45°放置时的最大温升降低了约7℃左右,这主要是由于重力的作用加速了冷凝端液体回流的速度,因此换热量增加,最大温升降低。

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4.4高温环境条件下散热器性能的影响

2是样件330℃60℃环境温度条件下,风速11m/s,加热功率为30W35W时的最大温升、温度均匀性、热端的温度均匀性特性值。从表中结果对比可以发现:随着环境温度的增高,同等条件下散热器的最大温升会有一定的增大,同时温度均匀性也相应变差。

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5结论

本文依托工程应用需求,开展了内嵌热管型散热器的研究工作,通过对散热器的设计、连接形式、散热性能以及环境适应性的测试、分析,得到以下4点结论:

(1) 内嵌热管散热器制作时需要有效降低接触热阻,热管和壳体之间宜采用锡焊等低热阻的连接形式;

(2) 热管散热器翅片面积和风速是影响散热性能的关键,在散热器翅片一定的条件下,增大风速可有效改善散热器的性能;

(3) 烧结芯热管散热器在不同倾斜角度时性能会有一定的差异,如果重力能加速蒸发端液体的回流,散热器的性能会相应提高;

(4)不同环境条件下,热管散热器在相同热源功率的最大温升不是均匀提高的;随着环境温度的增高,同等条件下散热器的最大温升会有一定的增大,同时温度均匀性相应变差;因此,热管散热器设计要留一定的裕量以满足高温环境条件下的性能要求。

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