均溫板傳熱性能實(shí)驗(yàn)研究

王恒 蘇新軍

摘 要：本實(shí)驗(yàn)研究了由銅柱作為支撐結(jié)構(gòu)且50%銅柱套有燒結(jié)銅粉片作為吸液芯的均溫板的傳熱性能。實(shí)驗(yàn)中采用鑄鋁板模擬電子發(fā)熱元件，通過(guò)調(diào)整直流電源的電壓，在1.6～21 W/cm2范圍內(nèi)改變加熱散熱元件的熱流密度，分別測(cè)試了相同散熱面積的均溫板與純銅板的散熱效果。研究結(jié)果表明，當(dāng)加熱功率達(dá)到170 W時(shí)，均溫板蒸發(fā)面熱源中心點(diǎn)處的溫度接近356 K，而相同條件下散熱面積相同的純銅板的中心溫度達(dá)386 K。通過(guò)與純銅板傳熱性能對(duì)比分析表明，在相同加熱條件下，均溫板的熱阻及均溫性均優(yōu)于同尺寸的純銅板。

關(guān)鍵詞：散熱;熱管;均溫板;純銅板;熱阻

中圖分類號(hào)：TB657.5;TK172 ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A ? 文章編號(hào)：1003-5168（2022）2-0098-04

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2022.02.023

Experimental Study on Heat Transfer Performance of Vapor Chamber

WANG Heng ? ?SU Xinjun

（School of Mechanical Engineering ，Tianjin University of Commerce， Tianjin 300400，China）

Abstract：In this paper， the heat transfer performance of a thermostatic plate with copper column as support structure and 50% copper column with sintered copper powder as suction core have been experimentally studied. In the experiment， the cast aluminum plate was used to simulate the electronic heating element. By adjusting the voltage of the DC power supply， the heat flux of the heating and cooling element was changed in the range of 1.6 ～ 21 W/cm2. The heat dissipation effect of the uniform temperature plate and pure copper plate with the same heat dissipation area were tested respectively. The results show that when the heating power reaches 170 W， the temperature at the center of heat source on the evaporative surface of homogenizing plate is close to 356 K， while the temperature at the center of pure copper plate with the same heat dissipation area is 386 K under the same conditions. Compared with the pure copper plate， heat transfer performance shows that under the same heating conditions， thermal resistance and temperature homogeneity of the plate are better than the same size of the pure copper plate， the larger heating area of the homogeneity plate is， the smaller thermal resistance of the homogeneity plate has.

Keywords：heat dissipation performance; heat pipe; vapor chamber; pure copper; thermal resistance

0 引言

近年來(lái)，隨著高新技術(shù)的發(fā)展，高端電子設(shè)備在使用性能上和在安全范圍內(nèi)正常運(yùn)行的要求在逐漸增高。電子設(shè)備在正常運(yùn)行的過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生多余、無(wú)用的熱量，如何將其釋放以及維持工件的正常溫度等問(wèn)題需要認(rèn)真對(duì)待。電子元件內(nèi)部溫度控制可以從必要與非必要兩個(gè)方面進(jìn)行闡述，電子設(shè)備維持自身正常運(yùn)行溫度是必要的。電子設(shè)備內(nèi)部包含較多的發(fā)熱芯片，其發(fā)熱功率多數(shù)是不相同的，這將導(dǎo)致設(shè)備表面的熱應(yīng)力分布不均勻，由于熱量不會(huì)及時(shí)排出，這會(huì)導(dǎo)致電子設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)不正常，甚至對(duì)電子設(shè)備造成不必要的損壞。元件在持續(xù)高溫狀態(tài)下工作會(huì)聚集越來(lái)越多的熱量于元件芯片局部，這將導(dǎo)致電子設(shè)備的壽命不斷縮減直至不能滿足正常的工作需求[1-2]。所以，電子設(shè)備內(nèi)部熱量分布不均衡是一項(xiàng)亟需解決的難題。

均溫板是一種應(yīng)用于二維平面上散熱的熱管裝置，被廣泛應(yīng)用于電子設(shè)備的散熱[3]。吸液芯結(jié)構(gòu)的存在對(duì)于均溫板來(lái)說(shuō)是至關(guān)重要的一環(huán)。當(dāng)均溫板處于工作狀態(tài)時(shí)，其內(nèi)部真空腔體內(nèi)蒸發(fā)端的液相工質(zhì)受熱有沸騰現(xiàn)象產(chǎn)生，此時(shí)液體會(huì)發(fā)生形態(tài)上的變化呈現(xiàn)出汽相狀態(tài)。汽相狀態(tài)的工質(zhì)在腔體內(nèi)由蒸發(fā)端與冷凝端之間存在的壓力差的推動(dòng)下流入冷凝端，在冷凝端汽相狀態(tài)的工質(zhì)受冷會(huì)再一次發(fā)生形態(tài)變化，由汽相狀態(tài)變回液相形成液滴，此時(shí)這些凝結(jié)的液滴在吸液芯結(jié)構(gòu)毛細(xì)力的作用下迅速聚集在蒸發(fā)端，由此往復(fù)進(jìn)行工作。

Yu等[4]通過(guò)研究微孔燒結(jié)吸液芯結(jié)構(gòu)的蒸汽腔均溫板，得出了當(dāng)吸液芯的滲透率等于0.5時(shí)，蒸汽腔的性能最佳，此時(shí)其傳熱性能是內(nèi)徑為10 mm的熱管的20倍。Vaddakan等[5]分析了均熱板在均勻熱源條件下的瞬態(tài)性能。Hsieh等[6]對(duì)內(nèi)部有支撐柱和無(wú)支撐柱的均熱板的熱阻提出一種分析解法，并利用建立的數(shù)學(xué)模型對(duì)均熱板的性能進(jìn)行分析。

很多研究者對(duì)均溫板的材質(zhì)以及充液量等方面進(jìn)行了大量的實(shí)驗(yàn)研究[7-9]。市場(chǎng)上主流的均溫板以銅為主要材質(zhì)，銅雖然導(dǎo)熱性能好，但受材質(zhì)本身的影響，經(jīng)過(guò)高溫處理后，力學(xué)性能變差，其受力情況會(huì)減弱，可能承受不了外部壓力而產(chǎn)生形變。同樣，當(dāng)均溫板在高溫環(huán)境下工作時(shí)，其內(nèi)部工質(zhì)會(huì)劇烈沸騰汽化，產(chǎn)生飽和蒸汽壓力，在飽和蒸汽壓力的作用下，均熱板的殼板可能會(huì)向腔體外側(cè)膨脹。

針對(duì)以上問(wèn)題，需要進(jìn)一步優(yōu)化均溫板的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，從而提高均溫板的傳熱特性。本實(shí)驗(yàn)研究了一款內(nèi)部由銅柱作為支撐結(jié)構(gòu)且50%銅柱套有燒結(jié)銅粉片作為吸液芯的均溫板的傳熱性能，在不同熱流密度熱源加熱條件下與相同尺寸的純銅板傳熱性能進(jìn)行了對(duì)比研究，分析了兩者的熱阻特性以及冷卻效果。

1 實(shí)驗(yàn)裝置和方法

實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)如圖1所示，實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)包括加熱系統(tǒng)、散熱元件、冷卻系統(tǒng)以及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。

加熱系統(tǒng)由直流電源、鑄鋁板、銅塊組成。實(shí)驗(yàn)采用的直流電源型號(hào)為WYK-[30B2]， WYK-[305B2]、IPD-3005SLU和MS305D，其中WYK-[30B2]、WYK-[305B2]最大電壓可達(dá)60 V， 而IPD-3005SLU和MS305D最大電壓為32 V，將它們進(jìn)行串聯(lián)。采用鑄鋁板模擬電子元件的發(fā)熱元件，鑄鋁板是一個(gè)六個(gè)面發(fā)熱均勻的長(zhǎng)方體結(jié)構(gòu)，采用實(shí)心鋁質(zhì)材料，長(zhǎng)100 mm，寬50 mm，厚20 mm。為了方便控制散熱片的熱流密度，鑄鋁板加熱器與散熱片之間放置一純銅塊。銅塊長(zhǎng)30 mm，寬30 mm，高40 mm，六個(gè)面均為平滑平面。鑄鋁板和純銅塊四周均用絕熱材料進(jìn)行絕熱處理。絕熱材料采用自粘橡塑海綿和特氟龍高溫膠帶。

冷卻系統(tǒng)由恒溫水箱及冷卻水槽組成。水箱采用功率為1 600 W的DC-4006智能節(jié)能恒溫槽。冷卻水槽采用厚度為0.4 mm的鋁質(zhì)材料，其尺寸為長(zhǎng)180 mm，寬125 mm，高62 mm。水槽的上方采用半透明的塑料蓋封閉，用以保持水槽內(nèi)的壓力。水槽兩側(cè)分別開(kāi)孔，孔的直徑為11 mm，上下有高度差，并將長(zhǎng)度為40 mm、外徑為11 mm、內(nèi)徑為10 mm的環(huán)保PVC透明管用膠水固定其中，方便與恒溫水箱相連的水管進(jìn)行配合連接。恒溫水箱和冷卻水槽之間采用外徑為14 mm、內(nèi)徑為10 mm的不透明工業(yè)級(jí)硅膠管進(jìn)行連接。

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)由熱電偶、數(shù)據(jù)采集儀、電腦組成。實(shí)驗(yàn)中使用T型熱電偶，它的測(cè)溫點(diǎn)呈薄片狀且可方便貼在所需測(cè)溫點(diǎn)，搭配MX100數(shù)據(jù)采集儀，通過(guò)與聯(lián)想G505相連獲得實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。其中數(shù)據(jù)每100 ms記錄一次。

為了實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)確性，減少實(shí)驗(yàn)誤差，鑄鋁板與銅塊、銅塊與散熱元件、散熱元件與水槽接觸面之間涂抹導(dǎo)熱系數(shù)為5.0 [W（m?K）]的導(dǎo)熱硅膠以減少空氣熱阻。在水槽中插入溫度計(jì)來(lái)確保水槽中的水始終保持在所需溫度。

實(shí)驗(yàn)中，散熱元件的中心溫度和發(fā)熱元件的溫度均采用熱電偶測(cè)量，熱源置于散熱片底部的中心位置，水槽完全覆蓋于散熱元件冷凝面上。恒溫水箱中的水為28 ℃，通過(guò)恒溫水箱的外循環(huán)功能將28 ℃的恒溫水引入水槽，將水槽中水的溫度控制在28 ℃。調(diào)整電源輸出電壓從而調(diào)節(jié)加熱的熱流密度，變化范圍在1.6～21 W/cm2。實(shí)驗(yàn)開(kāi)始時(shí)加熱功率通過(guò)直流電源調(diào)整為15 W，當(dāng)測(cè)量溫度達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)，再次調(diào)整直流電源在原電壓的基礎(chǔ)上調(diào)高10 V，最大加熱功率為189 W。通過(guò)橫河MX100記錄發(fā)熱元件和散熱元件溫度達(dá)到穩(wěn)定時(shí)的數(shù)據(jù)，當(dāng)每根熱電偶的溫度隨時(shí)間的變化不超過(guò)0.5 ℃時(shí)，則認(rèn)為均溫板和模塊內(nèi)模擬發(fā)熱芯片已經(jīng)達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。

2 均溫板工作原理及熱阻分析

實(shí)驗(yàn)均溫板工作原理如圖2所示。均溫板在工作時(shí)液體工質(zhì)吸收廢熱發(fā)生相變。同時(shí)，均溫板內(nèi)部的支撐銅柱除了起到支撐作用外，也有一定的導(dǎo)熱能力，這樣在支撐銅柱和工作介質(zhì)相變的共同作用下，均溫板的工作效率會(huì)有較大提升并實(shí)現(xiàn)整個(gè)裝置內(nèi)部的高效傳熱。由于相變過(guò)程具有很高的等溫性，且銅柱均勻分布，所以均溫板會(huì)達(dá)到均溫效果。

3 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理

本實(shí)驗(yàn)熱阻的定義由Hsieh等[6]提出，定義如式（1）。

[Rc=T??TcQ] ? ? ? （1）

式中：[T?]為散熱元件加熱側(cè)中心點(diǎn)處的溫度;[Tc]為水槽中冷卻水的溫度;Q為加熱功率。

實(shí)驗(yàn)中的加熱功率Q按式（2）計(jì)算：

[Q=U×I] ? ? ? （2）

式中：U為直流電源的電壓值;I為直流電源的電流。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果討論

圖3是實(shí)驗(yàn)得到的均溫板與純銅板熱阻隨加熱功率變化的曲線圖。從圖3中可以看到，均溫板與純銅板熱阻的走勢(shì)明顯不同。純銅板的熱阻隨著加熱功率的升高，其熱阻在一定范圍內(nèi)是穩(wěn)定的，基本維持在0.5 ℃/W左右，這說(shuō)明純銅的導(dǎo)熱方式主要依靠金屬性質(zhì)。均溫板的熱阻隨著加熱功率的升高在不斷地減小，且加熱功率越高熱阻越小，這說(shuō)明均溫板的傳熱方式是由其內(nèi)部工作介質(zhì)的相變傳熱所發(fā)揮的作用。在加熱功率達(dá)到70 W左右時(shí)熱阻下降趨勢(shì)較大，說(shuō)明在加熱功率達(dá)到70 W左右時(shí)，均溫板里的液體介質(zhì)的相變傳熱更加劇烈。從圖3中兩條曲線走勢(shì)的差距可以看出，純銅板與均溫板在導(dǎo)熱性能上存在一定差距，且隨著加熱功率的升高，純銅板與均溫板的熱阻差距越來(lái)越明顯。

圖4是均溫板和純銅板加熱側(cè)的中心溫度曲線。從圖4中可以看出，均溫板和純銅板加熱側(cè)的中心溫度均隨著加熱功率的升高而升高。純銅板的加熱側(cè)中心溫度隨著加熱功率的增大而呈現(xiàn)出線性變化，這也驗(yàn)證了純銅板的熱阻是一個(gè)穩(wěn)定值。與純銅板相比，加熱功率小于70 W時(shí)，均溫板和純銅板加熱側(cè)的中心溫度變化趨勢(shì)基本相同，均呈線性變化，但均溫板的加熱側(cè)中心溫度均低于相應(yīng)功率下純銅板的加熱側(cè)中心溫度。在加熱功率超過(guò)70 W時(shí)，曲線斜率出現(xiàn)較大的變化，加熱側(cè)中心溫度上升的速度較之前有所緩慢，最后在加熱側(cè)功率達(dá)到160 W左右時(shí)，加熱側(cè)中心溫度上升的速度驟減，趨于平緩。說(shuō)明在加熱功率達(dá)到160 W時(shí)，均溫板的相變傳熱達(dá)到最大化?？梢?jiàn)，在加熱功率超過(guò)70 W時(shí)，均溫板的優(yōu)勢(shì)得到明顯體現(xiàn)。

在加熱功率達(dá)到189 W時(shí)，純銅板的加熱側(cè)中心溫度為122 ℃，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)電子器件在穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)所要求的溫度，而均溫板的加熱側(cè)中心溫度為84 ℃。由此可以看出，均溫板通過(guò)相變所帶來(lái)的散熱效果要比僅通過(guò)金屬特性來(lái)傳遞熱量的方式要好得多，并且在高熱流密度下均溫板作為散熱元件能更好地發(fā)揮作用。

5 結(jié)論

本實(shí)驗(yàn)研究了內(nèi)部由銅柱作為支撐結(jié)構(gòu)且50%銅柱套有燒結(jié)銅粉片作為吸液芯的均溫板，均溫板的均溫性以及加熱面積對(duì)均溫板熱阻的影響。在同樣加熱條件下，研究分析了均溫板與相同尺寸的純銅板的熱阻特性以及冷卻效果。研究結(jié)果表明，均溫板作為高效換熱時(shí)代的散熱產(chǎn)物，其熱阻以及散熱效果要比傳統(tǒng)的依靠金屬特性導(dǎo)熱的散熱設(shè)備更加適合當(dāng)今高熱流密度條件的散熱需求;均溫板在均溫性能上要優(yōu)于純銅板。因此，作為熱管類的依靠相變傳熱的均溫板可以應(yīng)用于高熱流密度的散熱器件中。

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