一種均溫板低溫起動(dòng)性能試驗(yàn)研究*

戰(zhàn)棟棟，錢(qián)吉裕，朱 斌

(南京電子技術(shù)研究所， 江蘇 南京 210039)

引 言

近年，電子技術(shù)飛速發(fā)展，電子器件集成度越來(lái)越高，尤其是GaN等三代半導(dǎo)體的應(yīng)用，使得功率芯片熱耗成倍增加，對(duì)散熱提出了更高的要求，需采用新型高導(dǎo)熱材料或高效傳熱元件替代傳統(tǒng)的銅、鋁等材料，提升散熱能力。熱管是一種高效的相變傳熱元件，具有高導(dǎo)熱性、優(yōu)良的等溫性[1]等優(yōu)點(diǎn)，尤其銅-水熱管，具有優(yōu)良的傳熱性能，已廣泛應(yīng)用于電子設(shè)備散熱中，但在機(jī)載環(huán)境條件下的應(yīng)用還未得到充分驗(yàn)證。機(jī)載產(chǎn)品低溫環(huán)境為-55 ℃，在此溫度下，銅-水熱管起動(dòng)為冷凍起動(dòng)，內(nèi)部工質(zhì)為固態(tài)，熱管起動(dòng)需經(jīng)過(guò)固態(tài)、液態(tài)、氣態(tài)的轉(zhuǎn)變過(guò)程。同時(shí)，由于熱管冷凝段處于-55 ℃環(huán)境中，溫度低于零度，冷凝的蒸汽有可能在冷凝段凍結(jié)，不能回流至蒸發(fā)段，導(dǎo)致熱管起動(dòng)失敗。

國(guó)內(nèi)外研究者研究了不同熱管的起動(dòng)性能，文獻(xiàn)[2]研究了高溫?zé)峁苷舭l(fā)段和冷凝段長(zhǎng)度對(duì)冷凍起動(dòng)極限的影響；文獻(xiàn)[3]研究了基于鈦-水熱管的輻射器起動(dòng)性能；文獻(xiàn)[4]建立了低溫?zé)峁芷饎?dòng)瞬態(tài)模型，并研究了低溫?zé)峁芷饎?dòng)性能；文獻(xiàn)[5]研究了常溫條件下熱管導(dǎo)熱板的傳熱性能及重力對(duì)傳熱性能的影響。

本文針對(duì)熱管在未來(lái)機(jī)載產(chǎn)品高熱流密度點(diǎn)熱源散熱中的應(yīng)用，研究了銅-水熱管均溫板在機(jī)載產(chǎn)品低溫環(huán)境下的起動(dòng)性能，為熱管在軍用電子設(shè)備散熱方面的設(shè)計(jì)應(yīng)用提供參考。

1 試驗(yàn)系統(tǒng)

1.1 試驗(yàn)單元

熱管均溫板由鋁基板和銅-水熱管組成，尺寸為200mm×200mm×7mm，銅-水熱管釬焊在鋁基板內(nèi)，鋁基板正反兩面各布置6根銅-水熱管。熱管長(zhǎng)度180 mm，外徑6 mm。

試驗(yàn)中采用厚膜電阻作為熱源，共布置8個(gè)電阻，電阻焊接在殼體上，殼體與冷板之間通過(guò)螺釘連接。為減小接觸熱阻，殼體與冷板之間填充導(dǎo)熱硅脂，導(dǎo)熱硅脂型號(hào)為HZ-KS101。試驗(yàn)單元及熱電偶布置位置如圖1所示，在試驗(yàn)單元正面，發(fā)熱電阻表面布置了3個(gè)熱電偶；試驗(yàn)單元背面共布置了10個(gè)點(diǎn)，熱管蒸發(fā)段5個(gè)點(diǎn)，冷凝段5個(gè)點(diǎn)。

圖1 試驗(yàn)單元示意圖

1.2 試驗(yàn)系統(tǒng)

試驗(yàn)系統(tǒng)示意如圖2所示，直流電源為發(fā)熱電阻供電，采用T型熱電偶和數(shù)據(jù)采集儀測(cè)試記錄溫度，溫度采集間隔時(shí)間為4 s。液冷源作為散熱終端，電阻熱量經(jīng)熱管傳導(dǎo)到冷板處，由冷卻液帶至液冷源處散熱。T型熱電偶測(cè)量精度為±0.5 ℃，流量計(jì)測(cè)量精度為±1%?？刂葡到y(tǒng)流量為200 L/h，試驗(yàn)過(guò)程中記錄發(fā)熱電阻表面溫度、熱管蒸發(fā)段溫度、熱管冷凝段溫度及熱管起動(dòng)時(shí)間。

圖2 試驗(yàn)系統(tǒng)示意圖

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

機(jī)載產(chǎn)品主要有風(fēng)冷(自然對(duì)流、強(qiáng)迫對(duì)流)和液冷兩種冷卻方式，針對(duì)兩種不同的工況做了兩組試驗(yàn)：一是環(huán)境溫度-55 ℃，供液溫度10 ℃，模擬機(jī)載液冷工況；二是環(huán)境溫度-55 ℃，無(wú)液冷，自然散熱，模擬機(jī)載風(fēng)冷自然散熱工況。

熱管豎直放置，熱源在上，冷凝段在下，如圖1所示，液態(tài)工質(zhì)需克服重力才能回流至蒸發(fā)段，此種工作狀態(tài)最為惡劣，也最容易出現(xiàn)冷凍起動(dòng)失敗現(xiàn)象，因此，選擇此種狀態(tài)進(jìn)行試驗(yàn)。

通過(guò)試驗(yàn)測(cè)試熱管冷板表面溫度的變化，確定熱管冷板的起動(dòng)時(shí)間。判斷熱管起動(dòng)完畢的標(biāo)準(zhǔn)為熱管溫度上升后，蒸發(fā)段和冷凝段溫度變化趨勢(shì)相同。

2.1 液冷工況測(cè)試結(jié)果

測(cè)試了單點(diǎn)熱耗分別為20 W和30 W，液冷，供液溫度10 ℃條件下的熱管起動(dòng)溫度及起動(dòng)時(shí)間，如圖3、圖4所示。

圖3 供液溫度10 ℃的起動(dòng)曲線(單點(diǎn)熱耗20 W)

圖4 供液溫度10 ℃的起動(dòng)曲線(單點(diǎn)熱耗30 W)

環(huán)境溫度-55 ℃，供液溫度10 ℃，熱管冷凝段溫度維持在0 ℃左右，蒸發(fā)段溫度維持在-15 ℃左右，有效改善了低溫環(huán)境下熱管的溫度。為熱源供電后熱管溫度迅速上升，單點(diǎn)熱耗20 W，110 s后蒸發(fā)段溫度變化趨勢(shì)與冷凝段溫度變化趨勢(shì)基本相同，熱管起動(dòng)完畢；單點(diǎn)熱耗30 W，90 s后蒸發(fā)段溫度變化趨勢(shì)與冷凝段溫度變化趨勢(shì)基本相同，熱管起動(dòng)完畢。可見(jiàn)，在此工況下，單點(diǎn)熱耗越高，起動(dòng)時(shí)間越短。

2.2 風(fēng)冷自然散熱工況測(cè)試結(jié)果

測(cè)試了單點(diǎn)熱耗分別為20 W和30 W，自然散熱條件下的熱管起動(dòng)溫度及起動(dòng)時(shí)間，如圖5、圖6所示。

圖5 自然散熱工況的起動(dòng)曲線(單點(diǎn)熱耗20 W)

圖6 自然散熱工況的起動(dòng)曲線(單點(diǎn)熱耗30 W)

環(huán)境溫度-55 ℃，熱管蒸發(fā)段、冷凝段起始溫度均為-55 ℃，此時(shí)，熱管內(nèi)部工質(zhì)為固態(tài)，開(kāi)啟電源，為電阻供電后，熱管蒸發(fā)段的溫度快速上升，冷凝段溫度持續(xù)緩慢上升，在冷凝段溫度升高至0 ℃以上后，熱管內(nèi)的工質(zhì)融化，開(kāi)始通過(guò)工質(zhì)傳熱，當(dāng)溫度升高至約10 ℃，熱管蒸發(fā)段溫度變化趨勢(shì)與冷凝段溫度變化趨勢(shì)基本相同，熱管起動(dòng)完畢。單點(diǎn)熱耗20 W，起動(dòng)時(shí)間約700 s；單點(diǎn)熱耗30 W，起動(dòng)時(shí)間約600 s。

可見(jiàn)，兩種試驗(yàn)條件下熱管的起動(dòng)形式均為前端起動(dòng)，即熱管蒸發(fā)段溫度首先上升，工質(zhì)氣化，運(yùn)動(dòng)到絕熱段和冷凝段，使絕熱段和冷凝段溫度逐步升高，最后蒸發(fā)段溫度變化趨勢(shì)和冷凝段溫度變化趨勢(shì)接近，熱管進(jìn)入穩(wěn)定工作狀態(tài)。在-55 ℃低溫環(huán)境條件下，兩種工況的熱管均能成功起動(dòng)，驗(yàn)證了銅-水熱管低溫起動(dòng)性能。

2.3 測(cè)試結(jié)果分析

試驗(yàn)結(jié)果表明，兩種工況，不同熱耗條件下，熱管均起動(dòng)成功，未出現(xiàn)冷凍起動(dòng)失敗現(xiàn)象，經(jīng)分析，原因如下：

1)液冷工況。由于冷板供液溫度為10 ℃，熱管冷凝段溫度較高，蒸發(fā)段受到電阻加熱，溫度也較高，僅絕熱段處于低溫狀態(tài)，通過(guò)兩端加熱，很快熱管溫度上升，高于0 ℃，起動(dòng)成功。

2)風(fēng)冷自然散熱工況。該工況起動(dòng)條件較為惡劣，整根熱管起始溫度約-55 ℃，為改善低溫起動(dòng)性能，本文設(shè)計(jì)的熱管均溫板是由鋁基板與熱管組成，在熱管不能正常工作的情況下，通過(guò)鋁基板輔助熱管傳熱，如圖1所示。從圖5、圖6中可以看出，熱管起動(dòng)可分為3個(gè)階段：起動(dòng)初期(圖5約150 s之前，圖6約120 s之前)，此時(shí)，熱管整體溫度低于0 ℃，熱管并未開(kāi)始工作，鋁基板和熱管殼體為主要傳熱途徑，將熱量由熱源處(熱管蒸發(fā)段)傳導(dǎo)至熱管絕熱段和冷凝段；起動(dòng)中期(圖5約450 s之前，圖6約350 s之前)，熱管蒸發(fā)段溫度高于0 ℃，并持續(xù)上升，冷凝段溫度低于0 ℃，此時(shí)，熱管中的工質(zhì)在蒸發(fā)段受熱蒸發(fā)后運(yùn)動(dòng)到冷凝段，在冷凝段凝結(jié)，熱管已經(jīng)開(kāi)始工作，但工質(zhì)不能從冷凝段回流至蒸發(fā)段，此時(shí)，鋁基板和熱管同時(shí)工作，熱量擴(kuò)散速度較快，熱源溫度上升較為緩慢，冷凝段溫度也不斷上升；起動(dòng)后期(圖5約450 s ～ 700 s，圖6約350 s ～ 600 s)，熱管整體溫度高于0 ℃，冷凝段的工質(zhì)融化，可回流至蒸發(fā)段，此時(shí)主要依靠熱管傳熱，蒸發(fā)段與冷凝段溫度逐漸接近，直至達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，熱管起動(dòng)完畢。從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，起動(dòng)的前半段主要依靠鋁基板進(jìn)行熱傳導(dǎo)，快速提升熱管冷凝段溫度，改善了熱管的起動(dòng)性能，避免了熱管低溫起動(dòng)失敗問(wèn)題。同時(shí)，鋁基板也使得熱量能夠快速擴(kuò)散出去，散到低溫環(huán)境中，避免了熱管起動(dòng)過(guò)程中熱源超溫。

3 結(jié)束語(yǔ)

本文在模擬機(jī)載低溫條件下研究了熱管的低溫起動(dòng)性能，結(jié)論為：1)本文設(shè)計(jì)的鋁基板內(nèi)埋熱管均溫板在-55 ℃低溫條件，單點(diǎn)熱耗20 W ～ 30 W，液冷和自然散熱兩種冷卻方式下，熱管均能正常起動(dòng)，熱源單點(diǎn)熱耗越大，起動(dòng)時(shí)間越短；2)液冷方式，環(huán)境溫度-55 ℃，供液溫度10 ℃，熱管冷凝段溫度維持在0 ℃左右，蒸發(fā)段溫度維持在-15 ℃左右，熱管起動(dòng)時(shí)間約為90 s ～ 100 s；3)自然散熱方式，熱管蒸發(fā)段和冷凝段起始溫度均約為-55 ℃，起動(dòng)時(shí)間約為600 s ～ 700 s。