均熱板散熱器的傳熱特性實驗研究

楊明冬，宋蓓莉，全本慶，馬衛(wèi)東,姜展翔

(武漢光迅科技股份有限公司，湖北 武漢 430205)

0 引言

隨著移動互聯(lián)網(wǎng)的迅速崛起以及智能終端的快速普及，數(shù)據(jù)通信呈現(xiàn)爆炸式增長，全球正快步邁向“大數(shù)據(jù)”時代。為了滿足用戶不斷增長的功能、服務(wù)和性能等方面的要求，光通信設(shè)備的功率密度越來越高，研究表明光傳輸核心芯片表面的熱流密度已經(jīng)超過100 W/cm2，器件的工作溫度已經(jīng)十分逼近臨界溫度[1]。如此高的熱量如果不能及時散出，將引起光傳輸芯片表面局部溫度過高而產(chǎn)生“熱點”，可能導(dǎo)致電路或光路出現(xiàn)誤碼、丟包等問題，從而影響數(shù)據(jù)交換機(jī)運行的穩(wěn)定。

均熱板散熱器(Vapor Chamber)由于其具有較高的熱導(dǎo)率、良好的均溫特性，成為解決高熱流密度電子器件散熱問題很有前途的技術(shù)之一[2-4]。當(dāng)前，針對均熱板散熱器傳熱性能的研究已經(jīng)有許多成果發(fā)表。康明魁等[5]基于國產(chǎn)處理器主板，開展了均熱板散熱盒、熱管散熱盒和鋁合金散熱盒在不同工況下的散熱性能試驗對比研究。葉祥平等[6]通過 Flotherm模擬軟件對平板熱管與常規(guī)銅、鋁散熱基板進(jìn)行對比模擬分析，發(fā)現(xiàn)平板熱管能有效降低大功率 LED的結(jié)溫和熱阻。曹紅[7]為解決某毫米波功率放大器芯片的散熱問題,對功放腔體采用一體化均熱板的結(jié)構(gòu)形式，通過熱仿真和熱測試的驗證,證實一體化均熱板可有效降低功放芯片的工作溫度。此外，均熱板散熱器吸熱芯結(jié)構(gòu)、工藝參數(shù)對傳熱性能的影響等相關(guān)研究均被展開[8-10]。

本文設(shè)計了3款不同類型的均熱板散熱器，針對均熱板散熱器在通信設(shè)備中的實際應(yīng)用場景，對均熱板散熱器傳熱效果進(jìn)行了實驗對比研究，研究了不同風(fēng)速及放置方向(重力因素)對這3種均熱板散熱的傳熱性能影響，從而為均熱板散熱器的設(shè)計與使用提供依據(jù)。

1 實驗原理及方法

1.1 均熱板散熱器結(jié)構(gòu)

本文設(shè)計了3種均熱板散熱器，散熱器外形尺寸相同，均為152 mm×101 mm×12.7 mm，散熱器基座厚3 mm，3種不同的散熱器結(jié)構(gòu)方案如圖1所示。方案A為帶有均熱板的鋁擠壓型材散熱器，均熱板采用空心粉末燒結(jié)的結(jié)構(gòu)，嵌入在散熱器鋁基板中央，均熱板寬度為40 mm；方案B為拉鏈?zhǔn)匠崞崞鳎鍨榻饘俳z網(wǎng)吸熱芯結(jié)構(gòu)的均熱板，翅片材質(zhì)為鋁合金；方案C為拉鏈?zhǔn)匠崞崞鳎鍨閺?fù)合芯均熱板，其中均熱板加熱端采用粉末燒結(jié)吸熱芯，冷凝端采用絲網(wǎng)結(jié)構(gòu)的復(fù)合芯結(jié)構(gòu)的蒸汽腔，翅片材質(zhì)為鋁合金。

圖1 散熱器結(jié)構(gòu)方案

3種均熱板散熱器的結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1所示。

表1 散熱器結(jié)構(gòu)參數(shù)

1.2 實驗裝置及實驗方案

實驗裝置由直流電源、電阻加熱器、散熱器、風(fēng)機(jī)、風(fēng)道和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)等部分組成，如圖2所示。實驗在強(qiáng)制對流的條件下進(jìn)行，通過風(fēng)速計測量風(fēng)道內(nèi)的風(fēng)速，通過放置在散熱器上風(fēng)口和下風(fēng)口處的熱電偶測量空氣進(jìn)入散熱器前后的溫度。

圖2 實驗裝置示意

為了研究風(fēng)速及放置方向?qū)?種散熱器傳熱特性的影響，設(shè)計了3種實驗方案，如圖3所示。圖3a為實驗方案A，散熱器水平放置在風(fēng)道中，氣流方向與重力方向垂直；圖3b為實驗方案B，散熱器側(cè)向放置于風(fēng)道，氣流方向與重力方向垂直；圖3c為實驗方案C,散熱器垂直放置在風(fēng)道中，氣流方向與重力方向相反。

圖3 實驗方案

實驗在室溫環(huán)境下進(jìn)行，通過熱電偶溫度傳感器記錄測試點溫度，熱電偶的位置和編號如圖4所示。其中測試點7為模擬熱源的溫度，模擬熱源熱功耗為60 W。

圖4 散熱器熱電偶分布

本文通過以下參數(shù)對比3款散熱器的散熱性能：散熱器總熱阻θsa；散熱器基板溫度梯度ΔTbase；散熱器壓降Δps。

(1)

ΔTbase=Tb,max-Tb,min

(2)

Δps=pin-pout

(3)

Q為加載的熱功耗；Tb,max為散熱器基板最大溫度；Tb,min為散熱器基板最小溫度；Ta為散熱器上風(fēng)口的環(huán)境溫度；pin為散熱器進(jìn)風(fēng)口處的空氣壓強(qiáng)；pout為散熱器出風(fēng)口處的空氣壓強(qiáng)。

2 實驗結(jié)果及分析

圖5是采用實驗方案A(散熱器水平放置)并根據(jù)式(1)計算所得的3種均熱板散熱器熱阻與風(fēng)速的關(guān)系。由圖5可知，散熱器C在不同風(fēng)速條件下，具有最小的散熱器熱阻，優(yōu)于另外2種均熱板散熱。

圖5 散熱器熱阻與風(fēng)速關(guān)系

圖6是通過實驗測試并根據(jù)式(3)計算所得3種均溫板散熱器壓降Δps與風(fēng)速的關(guān)系。由圖6可知，在不同的風(fēng)速條件下，3款散熱器中散熱器A的壓降最大，而散熱器B和散熱器C的壓降相同。這主要是因為：散熱器A的散熱翅片厚度較厚，翅片間距較大，具有較大的風(fēng)阻；散熱器B和散熱器C雖然散熱器基板不同，但是具有相同的翅片厚度和翅片間距，所以散熱器B和散熱器C的壓降相同，風(fēng)阻相同。

圖6 散熱器壓降與風(fēng)速的關(guān)系

圖7是3款散熱器分別采用實驗方案A、方案B和方案C并根據(jù)式(2)計算所得的散熱器基板溫度梯度與風(fēng)速的關(guān)系。由圖7可知，相對于散熱器B和散熱器C，散熱器A在3種實驗條件下具有更均勻的基板溫度梯度分布，說明不同放置方向?qū)ι崞鰽的散熱性能影響較小。散熱器B在3種實驗條件下，均熱板的溫度梯度最大，不同的放置方向?qū)ι崞鰾的散熱性能影響較大，說明在相同的翅片結(jié)構(gòu)(翅片高度、翅片厚度、翅片數(shù))條件下，放置方向?qū)?fù)合芯的均熱板散熱器，相對于絲網(wǎng)吸熱芯結(jié)構(gòu)的均熱板的影響更小。結(jié)合圖5進(jìn)一步說明，為了使散熱器散熱性能達(dá)到最大化，需要使散熱器基板均有較好的均溫效果。

圖7 散熱器基板溫度梯度與放置方向、風(fēng)速關(guān)系

3種散熱器在實驗條件B和實驗條件C下均熱板具有較大的溫度梯度，說明放置方向?qū)Σ煌纳崞骶哂休^大的影響，所以在進(jìn)行散熱器設(shè)計選型時，需要考慮散熱器在實際應(yīng)用中的放置方向，尤其需要考慮重力條件對散熱器的散熱性能影響。

3 結(jié)束語

本文開展了不同類型的均熱板散熱器散熱性能對比試驗研究。測試結(jié)果顯示，風(fēng)速及散熱器放置方向?qū)鶡岚迳崞鞯纳嵝阅苡休^大的影響，尤其是散熱器的放置方向，所以在均熱板散熱器設(shè)計選型之前需要了解散熱器的應(yīng)用場景，尤其是散熱器的放置方向。