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電子設(shè)備的高性能、高可靠、高精度以及小體積、輕量化的發(fā)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(fēng)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(zhì)相變傳熱，當(dāng)量導(dǎo)熱系數(shù)可達銅的幾倍甚至幾十倍，具有導(dǎo)熱性高、均溫性好等優(yōu)點，在各民用領(lǐng)域電子設(shè)備的散熱中廣泛應(yīng)用、但熱管為一維傳熱，獨立熱管無法滿足電子設(shè)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(jié)合形成熱管均溫板是目前常用的一種方式，在軍用領(lǐng)域受到越來越多的關(guān)注和研究、但軍用電子設(shè)備使用環(huán)境惡劣、工況多樣，為驗證熱管均溫板在軍用領(lǐng)域電子設(shè)備中應(yīng)用的可行性，需對熱管及熱管均溫板的性能及環(huán)境適應(yīng)性進行充分的驗證、文獻[2]研究了不同工質(zhì)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(yōu)、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(dāng)量導(dǎo)熱系數(shù)，結(jié)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(lǐng)域電子設(shè)備中應(yīng)用的可行性，本文對不同工質(zhì)熱管均溫板的散熱性能及不同姿態(tài)下的環(huán)境適應(yīng)性進行試驗驗證，為電子設(shè)備不同工況下選用熱管均溫板提供參考
1 試驗系統(tǒng)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(jié)芯熱管，通過錫釬焊焊接在鋁基板槽內(nèi)。熱管選用的兩種工質(zhì)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(nèi)，測試樣件如圖1所示。
1.2試驗系統(tǒng)
試驗系統(tǒng)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(dǎo)熱硅脂。采用直流電源為EBG電阻供電，可通過調(diào)節(jié)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(shù)據(jù)。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。
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(tài)下的散熱性能進行測試對比，熱管均溫板的放置姿態(tài)如圖4所示。
為驗證熱管均溫板的環(huán)境適應(yīng)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(tài)下進行高溫儲存、低溫儲存和溫度循環(huán)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(huán)按GJB150A—2009中試驗方法，高溫+90℃，低溫-55℃，保溫時間1h，轉(zhuǎn)換時間≤1min，循環(huán)次數(shù)30次。
為驗證環(huán)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(huán)試驗后再進行散熱性能的測試及對比分析。
2?試驗結(jié)果及分析
2.1銅–水熱管均溫板測試結(jié)果
試驗中測試了不同功率、不同放置姿態(tài)下熱管均溫板的表面溫度，分析了不同放置姿態(tài)對熱管均溫板傳熱性能的影響?通過調(diào)節(jié)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?
由表1中數(shù)據(jù)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(jié)果可以看出,隨著功率的增加，不同姿態(tài)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(tài)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(tài)下分別進行高溫儲存、低溫儲存和溫度循環(huán)試驗。高溫儲存、低溫儲存和溫度循環(huán)試驗后,平放和橫放的銅–水熱管均溫板均未出現(xiàn)異?，F(xiàn)象，且試驗后產(chǎn)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(chǎn)品未出現(xiàn)異?，F(xiàn)象；低溫儲存和溫度循環(huán)試驗后，在產(chǎn)品下端熱管均出現(xiàn)了鼓包現(xiàn)象，如圖5所示?
豎直放置時，內(nèi)部工質(zhì)受重力作用匯聚在底部，由于熱管內(nèi)部工質(zhì)為水，低溫時水結(jié)冰膨脹，導(dǎo)致鼓包?
2.2銅–丙酮熱管均溫板測試結(jié)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?
由表2中數(shù)據(jù)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(jié)果可以看出,不同功率和姿態(tài)下，銅–丙酮熱管均溫板的測試結(jié)果與銅–水熱管均溫板的測試結(jié)果趨勢一致?
對銅–丙酮熱管均溫板在不同姿態(tài)下分別進行高溫儲存?低溫儲存和溫度循環(huán)試驗?各項試驗后,銅–丙酮熱管均溫板均未出現(xiàn)異?，F(xiàn)象，且試驗前后，均溫板的散熱性能無明顯變化?
2.3測試結(jié)果分析
由上述測試結(jié)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(guī)格的銅–水熱管的傳熱性能優(yōu)于銅–丙酮熱管。原因是,在外部冷卻條件和均溫板結(jié)構(gòu)相同的條件下,影響傳熱性能的主要因素是熱管內(nèi)部工質(zhì)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(dǎo)熱系數(shù)，在工作過程中,蒸發(fā)端和冷凝端工質(zhì)與管壁之間的傳熱熱阻更小,因此溫差相對較小。同種工質(zhì)熱管均溫板在相同散熱功率、不同放置姿態(tài)下，豎直放置時均溫板表面溫差較大。原因在于,測試系統(tǒng)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(zhì)氣液循環(huán)受到重力影響，循環(huán)阻力增大，熱傳輸效率降低?
從不同姿態(tài)下熱管均溫板的環(huán)境適應(yīng)性試驗結(jié)果可知，豎直姿態(tài)下，銅–水熱管均溫板在低溫儲存和溫度循環(huán)試驗時均出現(xiàn)鼓包現(xiàn)象，而銅–丙酮熱管均溫板在3種姿態(tài)下均未出現(xiàn)異常現(xiàn)象。原因是,豎直姿態(tài)下熱管內(nèi)工質(zhì)受重力影響匯集在熱管底部，對于銅–水熱管，內(nèi)部工質(zhì)水在低溫環(huán)境下出現(xiàn)結(jié)冰，體積膨脹，產(chǎn)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(xiàn)結(jié)冰現(xiàn)象，因此銅–丙酮熱管未出現(xiàn)鼓包現(xiàn)象?
3?結(jié)束語
本文針對工質(zhì)分別為水和丙酮的熱管均溫板在不同姿態(tài)下的散熱性能以及環(huán)境適應(yīng)性進行了試驗研究,結(jié)論及建議如下：
1)?相同工況下，相同規(guī)格的銅–水熱管均溫板的傳熱性能優(yōu)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(huán)境下，會出現(xiàn)鼓包現(xiàn)象；
3 )?銅–丙酮熱管均溫板的耐低溫及溫度循環(huán)沖擊性能優(yōu)于銅–水熱管均溫板；
4 )?對于存在0℃以下低溫使用環(huán)境的產(chǎn)品，不建議選用此規(guī)格以及厚度更薄的銅–水熱管?文中僅驗證了一種規(guī)格的銅–水熱管，對于其他規(guī)格的銅–水熱管的環(huán)境適應(yīng)性還需進一步驗?
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