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不同工質熱管均溫板散熱及環境適應性試驗研究

發布時間:2021-12-15 人氣:188

電子設備的高性能、高可靠、高精度以及小體積、輕量化的發展要求使其集成度、功率以及熱流密度越來越高,有效解決散熱問題是保證其性能的前提、目前,常用的散熱方式有自然散熱、風冷散熱、液冷散熱、熱管散熱等,其中熱管是一種相變傳熱元件,通過工質相變傳熱,當量導熱系數可達銅的幾倍甚至幾十倍,具有導熱性高、均溫性好等優點,在各民用領域電子設備的散熱中廣泛應用、但熱管為一維傳熱,獨立熱管無法滿足電子設備的散熱需求,為充分利用熱管的高傳熱特性,將熱管與銅板或鋁板結合形成熱管均溫板是目前常用的一種方式,在軍用領域受到越來越多的關注和研究、但軍用電子設備使用環境惡劣、工況多樣,為驗證熱管均溫板在軍用領域電子設備中應用的可行性,需對熱管及熱管均溫板的性能及環境適應性進行充分的驗證、文獻[2]研究了不同工質溝槽式微熱管的傳熱性能、文獻[3–5]研究了不同類型熱管的啟動性能、文獻[6]對比了鋁基均溫板散熱盒、熱管散熱盒和鋁合金散熱盒的散熱性能,相同工況下,熱管散熱盒的散熱性能最優、文獻[7]研究了不同加速度條件下,熱管均溫板的傳熱性能及當量導熱系數,結果表明,在0g-13g加速度條件下,熱管均溫板都能正常工作

上述文獻主要針對熱管的啟動性能和傳熱性能開展研究、為了充分驗證熱管均溫板在軍用領域電子設備中應用的可行性,本文對不同工質熱管均溫板的散熱性能及不同姿態下的環境適應性進行試驗驗證,為電子設備不同工況下選用熱管均溫板提供參考

1 試驗系統及測試要求

1.1測試樣件

熱管均溫板由鋁基板和熱管組成,尺寸為300mm×70mm×6mm,熱管為銅燒結芯熱管,通過錫釬焊焊接在鋁基板槽內。熱管選用的兩種工質分別為水和丙酮,熱管外徑尺寸為Φ8mm,壁厚0.5mm,壓扁至3.5mm后嵌入鋁基板槽內,測試樣件如圖1所示。

熱管均溫板結構圖

1.2試驗系統

試驗系統如圖2所示。在熱管均溫板的兩端貼合液冷板。采用EBG電阻作為模擬熱源,在熱管均溫板外露熱管面布置3個電阻,電阻與均溫板貼合面涂抹導熱硅脂。采用直流電源為EBG電阻供電,可通過調節電壓控制電阻的功率。采用T型熱電偶測試熱管均溫板表面溫度,熱電偶布置位置如圖3所示,通過溫度采集儀記錄測試數據。液冷源作為散熱終端為液冷板提供冷卻液,供液溫度為20℃,供液流量為1.5L/min。

試驗系統如圖
熱電偶布置位置

1.3試驗項目及要求

為充分驗證熱管均溫板的散熱性能,分別對銅–水熱管均溫板及銅–丙酮熱管均溫板在平放、橫放以及豎放姿態下的散熱性能進行測試對比,熱管均溫板的放置姿態如圖4所示。

熱管均溫板的放置姿態

為驗證熱管均溫板的環境適應性,分別對銅–水熱管均溫板及銅–丙酮熱管均溫板在平放、橫放以及豎放姿態下進行高溫儲存、低溫儲存和溫度循環試驗,試驗條件如下:

1)高溫儲存按GJB150A—2009中試驗方法,溫度+90℃,保溫48h;
2)低溫儲存按GJB150A—2009中試驗方法,溫度-55℃,保溫24h;
3)溫度循環按GJB150A—2009中試驗方法,高溫+90℃,低溫-55℃,保溫時間1h,轉換時間≤1min,循環次數30次。

為驗證環境試驗對熱管均溫板性能的影響,在高溫儲存、低溫儲存和溫度循環試驗后再進行散熱性能的測試及對比分析。

2?試驗結果及分析

2.1銅–水熱管均溫板測試結果

試驗中測試了不同功率、不同放置姿態下熱管均溫板的表面溫度,分析了不同放置姿態對熱管均溫板傳熱性能的影響?通過調節直流電源,使模擬熱源功率分別為60W、90W和120W,記錄8個測溫點的溫度,如表1所示?

銅–水熱管均溫板測試結果

由表1中數據可知,60W熱源平放時,各測溫點最高溫度為30.2℃,最大溫差為3.1℃;橫放時,各測溫點最高溫度為30.5℃,最大溫差為3.1℃;豎放時,各測溫點最高溫度為30.7℃,最大溫差為4.2℃。90W熱源平放時,各測溫點最高溫度為35.8℃,最大溫差為4.5℃;橫放時,各測溫點最高溫度為36.1℃,最大溫差為5.8℃;豎放時,各測溫點最高溫度為36.0℃,最大溫差為5.9℃。120W熱源平放時,各測溫點最高溫度為42.0℃,最大溫差為4.6℃;橫放時,各測溫點最高溫度為43.9℃,最大溫差為9.5℃;豎放時,各測溫點最高溫度為48.9℃,最大溫差為10.1℃。綜合分析表1中試驗結果可以看出,隨著功率的增加,不同姿態下均溫板各測點的最高溫度及最大溫差均增大;功率相同時,不同姿態下均溫板各測點的最高溫度及最大溫差在平放時最小,豎放時最大?

對銅–水熱管均溫板在不同姿態下分別進行高溫儲存、低溫儲存和溫度循環試驗。高溫儲存、低溫儲存和溫度循環試驗后,平放和橫放的銅–水熱管均溫板均未出現異?,F象,且試驗后產品的散熱性能與試驗前基本一致,無明顯變化。對于豎放的銅–水熱管均溫板,高溫儲存試驗后產品未出現異?,F象;低溫儲存和溫度循環試驗后,在產品下端熱管均出現了鼓包現象,如圖5所示?

熱管鼓包

豎直放置時,內部工質受重力作用匯聚在底部,由于熱管內部工質為水,低溫時水結冰膨脹,導致鼓包?

2.2銅–丙酮熱管均溫板測試結果

不同功率下,采用銅–丙酮熱管均溫板進行散熱性能測試,各測溫點的溫度如表2所示?

銅–丙酮熱管均溫板測試結果

由表2中數據可知,60W熱源平放時,各測溫點最高溫度為46.7℃,最大溫差為7.5℃;橫放時,各測溫點最高溫度為44.9℃,最大溫差為7.7℃;豎放時,各測溫點最高溫度為47.3℃,最大溫差為9.7℃。90W熱源平放時,各測溫點最高溫度為59.4℃,最大溫差為11.4℃;橫放時,各測溫點最高溫度為53.1℃,最大溫差為11.2℃;豎放時,各測溫點最高溫度為60.9℃,最大溫差為15.8℃。120W熱源平放時,各測溫點最高溫度為71.4℃,最大溫差為14.0℃;橫放時,各測溫點最高溫度為65.3℃,最大溫差為14.9℃;豎放時,各測溫點最高溫度為84.9℃,最大溫差為20.0℃。綜合分析表2中試驗結果可以看出,不同功率和姿態下,銅–丙酮熱管均溫板的測試結果與銅–水熱管均溫板的測試結果趨勢一致?

對銅–丙酮熱管均溫板在不同姿態下分別進行高溫儲存?低溫儲存和溫度循環試驗?各項試驗后,銅–丙酮熱管均溫板均未出現異?,F象,且試驗前后,均溫板的散熱性能無明顯變化?

2.3測試結果分析

由上述測試結果可以看出,相同工況下,銅–水熱管均溫板表面的溫度及溫差均低于銅–丙酮熱管均溫板,說明相同規格的銅–水熱管的傳熱性能優于銅–丙酮熱管。原因是,在外部冷卻條件和均溫板結構相同的條件下,影響傳熱性能的主要因素是熱管內部工質的熱物性能,水相較于丙酮具有更高的汽化潛熱、比熱容和導熱系數,在工作過程中,蒸發端和冷凝端工質與管壁之間的傳熱熱阻更小,因此溫差相對較小。同種工質熱管均溫板在相同散熱功率、不同放置姿態下,豎直放置時均溫板表面溫差較大。原因在于,測試系統的冷端布置于均溫板的兩端,對于靠下部分的熱量傳輸,工質氣液循環受到重力影響,循環阻力增大,熱傳輸效率降低?

從不同姿態下熱管均溫板的環境適應性試驗結果可知,豎直姿態下,銅–水熱管均溫板在低溫儲存和溫度循環試驗時均出現鼓包現象,而銅–丙酮熱管均溫板在3種姿態下均未出現異?,F象。原因是,豎直姿態下熱管內工質受重力影響匯集在熱管底部,對于銅–水熱管,內部工質水在低溫環境下出現結冰,體積膨脹,產生較大的局部壓力致使熱管底部鼓包甚至破裂,而丙酮的凝固點為?94.6℃,在低溫?55℃時不會出現結冰現象,因此銅–丙酮熱管未出現鼓包現象?

3?結束語

本文針對工質分別為水和丙酮的熱管均溫板在不同姿態下的散熱性能以及環境適應性進行了試驗研究,結論及建議如下:

1)?相同工況下,相同規格的銅–水熱管均溫板的傳熱性能優于銅–丙酮熱管均溫板;

2 )?管徑為Φ8mm?壁厚為0.5mm?壓扁后厚度為3.5mm的銅–水熱管,豎直放置時,在?55℃環境下,會出現鼓包現象;

3 )?銅–丙酮熱管均溫板的耐低溫及溫度循環沖擊性能優于銅–水熱管均溫板;

4 )?對于存在0℃以下低溫使用環境的產品,不建議選用此規格以及厚度更薄的銅–水熱管?文中僅驗證了一種規格的銅–水熱管,對于其他規格的銅–水熱管的環境適應性還需進一步驗?

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