均溫板傳熱性能實驗研究

王恒 蘇新軍

摘 要：本實驗研究了由銅柱作為支撐結構且50%銅柱套有燒結銅粉片作為吸液芯的均溫板的傳熱性能。實驗中采用鑄鋁板模擬電子發(fā)熱元件，通過調(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，分別測試了相同散熱面積的均溫板與純銅板的散熱效果。研究結果表明，當加熱功率達到170 W時，均溫板蒸發(fā)面熱源中心點處的溫度接近356 K，而相同條件下散熱面積相同的純銅板的中心溫度達386 K。通過與純銅板傳熱性能對比分析表明，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。

關鍵詞：散熱;熱管;均溫板;純銅板;熱阻

中圖分類號：TB657.5;TK172 ? 文獻標志碼：A ? 文章編號：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，隨著高新技術的發(fā)展，高端電子設備在使用性能上和在安全范圍內(nèi)正常運行的要求在逐漸增高。電子設備在正常運行的過程中會產(chǎn)生多余、無用的熱量，如何將其釋放以及維持工件的正常溫度等問題需要認真對待。電子元件內(nèi)部溫度控制可以從必要與非必要兩個方面進行闡述，電子設備維持自身正常運行溫度是必要的。電子設備內(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，這將導致設備表面的熱應力分布不均勻，由于熱量不會及時排出，這會導致電子設備運轉(zhuǎn)不正常，甚至對電子設備造成不必要的損壞。元件在持續(xù)高溫狀態(tài)下工作會聚集越來越多的熱量于元件芯片局部，這將導致電子設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，電子設備內(nèi)部熱量分布不均衡是一項亟需解決的難題。

均溫板是一種應用于二維平面上散熱的熱管裝置，被廣泛應用于電子設備的散熱[3]。吸液芯結構的存在對于均溫板來說是至關重要的一環(huán)。當均溫板處于工作狀態(tài)時，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，此時液體會發(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下流入冷凝端，在冷凝端汽相狀態(tài)的工質(zhì)受冷會再一次發(fā)生形態(tài)變化，由汽相狀態(tài)變回液相形成液滴，此時這些凝結的液滴在吸液芯結構毛細力的作用下迅速聚集在蒸發(fā)端，由此往復進行工作。

Yu等[4]通過研究微孔燒結吸液芯結構的蒸汽腔均溫板，得出了當吸液芯的滲透率等于0.5時，蒸汽腔的性能最佳，此時其傳熱性能是內(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]對內(nèi)部有支撐柱和無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)學模型對均熱板的性能進行分析。

很多研究者對均溫板的材質(zhì)以及充液量等方面進行了大量的實驗研究[7-9]。市場上主流的均溫板以銅為主要材質(zhì)，銅雖然導熱性能好，但受材質(zhì)本身的影響，經(jīng)過高溫處理后，力學性能變差，其受力情況會減弱，可能承受不了外部壓力而產(chǎn)生形變。同樣，當均溫板在高溫環(huán)境下工作時，其內(nèi)部工質(zhì)會劇烈沸騰汽化，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向腔體外側(cè)膨脹。

針對以上問題，需要進一步優(yōu)化均溫板的內(nèi)部結構，從而提高均溫板的傳熱特性。本實驗研究了一款內(nèi)部由銅柱作為支撐結構且50%銅柱套有燒結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行了對比研究，分析了兩者的熱阻特性以及冷卻效果。

1 實驗裝置和方法

實驗系統(tǒng)如圖1所示，實驗系統(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。實驗采用的直流電源型號為WYK-[30B2]， WYK-[305B2]、IPD-3005SLU和MS305D，其中WYK-[30B2]、WYK-[305B2]最大電壓可達60 V， 而IPD-3005SLU和MS305D最大電壓為32 V，將它們進行串聯(lián)。采用鑄鋁板模擬電子元件的發(fā)熱元件，鑄鋁板是一個六個面發(fā)熱均勻的長方體結構，采用實心鋁質(zhì)材料，長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30 mm，寬30 mm，高40 mm，六個面均為平滑平面。鑄鋁板和純銅塊四周均用絕熱材料進行絕熱處理。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)分別開孔，孔的直徑為11 mm，上下有高度差，并將長度為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)級硅膠管進行連接。

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

為了實驗準確性，減少實驗誤差，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熱系數(shù)為5.0 [W（m?K）]的導熱硅膠以減少空氣熱阻。在水槽中插入溫度計來確保水槽中的水始終保持在所需溫度。

實驗中，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。實驗開始時加熱功率通過直流電源調(diào)整為15 W，當測量溫度達到穩(wěn)定狀態(tài)時，再次調(diào)整直流電源在原電壓的基礎上調(diào)高10 V，最大加熱功率為189 W。通過橫河MX100記錄發(fā)熱元件和散熱元件溫度達到穩(wěn)定時的數(shù)據(jù)，當每根熱電偶的溫度隨時間的變化不超過0.5 ℃時，則認為均溫板和模塊內(nèi)模擬發(fā)熱芯片已經(jīng)達到穩(wěn)定狀態(tài)。

2 均溫板工作原理及熱阻分析

實驗均溫板工作原理如圖2所示。均溫板在工作時液體工質(zhì)吸收廢熱發(fā)生相變。同時，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有較大提升并實現(xiàn)整個裝置內(nèi)部的高效傳熱。由于相變過程具有很高的等溫性，且銅柱均勻分布，所以均溫板會達到均溫效果。

3 實驗數(shù)據(jù)處理

本實驗熱阻的定義由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)中心點處的溫度;[Tc]為水槽中冷卻水的溫度;Q為加熱功率。

實驗中的加熱功率Q按式（2）計算：

[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 實驗結果討論

圖3是實驗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，這說明純銅的導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。在加熱功率達到70 W左右時熱阻下降趨勢較大，說明在加熱功率達到70 W左右時，均溫板里的液體介質(zhì)的相變傳熱更加劇烈。從圖3中兩條曲線走勢的差距可以看出，純銅板與均溫板在導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，這也驗證了純銅板的熱阻是一個穩(wěn)定值。與純銅板相比，加熱功率小于70 W時，均溫板和純銅板加熱側(cè)的中心溫度變化趨勢基本相同，均呈線性變化，但均溫板的加熱側(cè)中心溫度均低于相應功率下純銅板的加熱側(cè)中心溫度。在加熱功率超過70 W時，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)功率達到160 W左右時，加熱側(cè)中心溫度上升的速度驟減，趨于平緩。說明在加熱功率達到160 W時，均溫板的相變傳熱達到最大化?？梢?，在加熱功率超過70 W時，均溫板的優(yōu)勢得到明顯體現(xiàn)。

在加熱功率達到189 W時，純銅板的加熱側(cè)中心溫度為122 ℃，遠遠超過電子器件在穩(wěn)定運行時所要求的溫度，而均溫板的加熱側(cè)中心溫度為84 ℃。由此可以看出，均溫板通過相變所帶來的散熱效果要比僅通過金屬特性來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 結論

本實驗研究了內(nèi)部由銅柱作為支撐結構且50%銅柱套有燒結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。研究結果表明，均溫板作為高效換熱時代的散熱產(chǎn)物，其熱阻以及散熱效果要比傳統(tǒng)的依靠金屬特性導熱的散熱設備更加適合當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用于高熱流密度的散熱器件中。

參考文獻：

[1] 郭磊.電子器件散熱及冷卻的發(fā)展現(xiàn)狀研究[J].低溫與超導，2014（2）：62-66.

[2] KRISHNA J，KISHORE P S， BRUSLY S A. Heat pipe with nano enhanced-PCM for electronic cooling application[J].Experimental Thermal and Fluid Science，2017，81：84-92.

[3] REAY D A ， KEW P A， MCGLEN R J. Heat pipes（Six Edition）[M]. Oxford： Elesvier， 2014.

[4] YU C S， WEI W C， KANG S W. Ivestigation of micro porosity sintered wick in vapor ?chamber for fan less design [C]//Thermal Investigation of ICs and Systems，2007.

[5] VADDAKAN U，MURTHY J Y，GARIMELLA S V.Transient analysis of flat heat pip[C]∥Proceedings of the 2003 ASME Summer Heat TransferConference.HT2003-47349，Las Vegas，NV，2003：1-11.

[6] HSIEH S S， LEE R Y， SHYU J C， et al. Analytical solution of thermal ?resistance of vapor chamber heat sink with and without pillar[J]. Energy Conversion and Management，2007，48：2708-2717.

[7] 張麗春，馬同澤，葛新石.微小型多槽平板熱管的流動和傳熱分析及實驗研究[J].中國科學技術大學學報，2003（4）：451-459.

[8] 田金穎，諸凱，劉建林，等，冷卻電子芯片的平板熱管散熱器傳熱性能研究[J].制冷學報，2007（2）：18-22.

[9] 張明，劉中良，馬國遠，等.平板熱管相變傳熱特性的實驗研究[J].工程熱物理學報，2007（5）：823-825.