热管散热器的实验研究及温度场数值模拟

陈 倩，庄劲武，江壮贤，武 瑾，孙逢欣



热管散热器的实验研究及温度场数值模拟

陈 倩，庄劲武，江壮贤，武 瑾，孙逢欣

（海军工程大学电气工程学院，武汉 430033）

为了提高真空断路器额定载流密度，对端子处安装了毛细结构热管散热器的铜排通流2200A，进行了温度分布情况实验研究。通过PT1000热敏电阻探头测得的各部分温度分布情况，分析了在加装热管后的散热效果。对热管散热的换热过程进行理论分析，建立数学模型。结果表明，计算得到的温度分布情况与实验测得的数据吻合度较高，为提高散热性能提供了参考依据。

热管散热器 传热 热阻 数值计算

0 引言

热管是一种具有高导热性能的传热元件，可在截面积并不是很大的情况下远距离地传输更多的热量，同时保持温差很小，因而能替代工作中形状复杂且笨重的散热器件。它已成为电子元器件热控制应用的有效装置，在矿井降温、电子元件冷却及真空热开关等方面得到了广泛应用[1]。

为了解决高压大电流真空断路器[2-3]体积大、开断速度慢的缺陷，需要增大真空断路器的额定载流密度，但这会带来温升过高的问题。为了使载流密度增大时，端子处温度仍能满足国军标要求，在端子处加入热管散热器来有效解决这一问题。本文通过实验研究了毛细结构热管，进行了毛细结构热管散热器散热性能的测试，并且建立了热管散热器的数学计算模型。

1 热管散热器的工作原理

本文所研究的是毛细结构热管散热器，该热管为毛细结构热管，其中的工作液体为酒精，管壳材料为铜，加上铝材散热鳍片形成热管散热器。

毛细结构热管是一根中空的铜管，内壁上有吸液芯结构，中间注有工作液体，热管自身形成一个高真空封闭系统，沿轴向可分为三段，即蒸发段、绝热段和冷凝段，如图1所示[4-6]。热源对热管进行加热，在蒸发段使内部工作液体相变为蒸气，蒸气越过绝热段后抵达冷凝段，将所携带热量传递给冷凝段热管内壁，通过热传导作用再将热量输送到贴附于热管外壁上的金属散热片中。最后，借助散热片与周围冷却空气的自然对流传热过程将热量从散热片上带走，而释放出汽化潜热的蒸气则又相变为液体，通过吸液芯结构回流到蒸发段再加热汽化，不断循环[7-9]。

2 实验研究

2.1 实验测试装置及过程

两端分别接有3 m长大铜排，大铜排的截面积为100 mm×10 mm。实验过程中通以直流2200 A，待达到稳态后，将散热器安装在热源铜排上，如图3所示，热源是尺寸为85 mm×50 mm×5 mm的铜排。散热器与铜排间涂有导热硅脂来改善导热的效果。实验中，采用PT1000的热敏电阻探头进行测量，各测量点示意图如图4。

2.2 实验结果及讨论

实验测试了加入热管前的铜排端子①、④两处上下表面的温度及其两端的压降。图5反映的是①、④两处上下表面的温度，上下表面的温差很小，可忽略，认为上下表面温度一致。