均热板散热器的传热特性实验研究

2020-05-09杨明冬宋蓓莉全本庆马卫东姜展翔

机械与电子 2020年4期

杨明冬，宋蓓莉，全本庆，马卫东,姜展翔

(武汉光迅科技股份有限公司，湖北武汉 430205)

0 引言

随着移动互联网的迅速崛起以及智能终端的快速普及，数据通信呈现爆炸式增长，全球正快步迈向“大数据”时代。为了满足用户不断增长的功能、服务和性能等方面的要求，光通信设备的功率密度越来越高，研究表明光传输核心芯片表面的热流密度已经超过100 W/cm2，器件的工作温度已经十分逼近临界温度[1]。如此高的热量如果不能及时散出，将引起光传输芯片表面局部温度过高而产生“热点”，可能导致电路或光路出现误码、丢包等问题，从而影响数据交换机运行的稳定。

均热板散热器(Vapor Chamber)由于其具有较高的热导率、良好的均温特性，成为解决高热流密度电子器件散热问题很有前途的技术之一[2-4]。当前，针对均热板散热器传热性能的研究已经有许多成果发表。康明魁等[5]基于国产处理器主板，开展了均热板散热盒、热管散热盒和铝合金散热盒在不同工况下的散热性能试验对比研究。叶祥平等[6]通过 Flotherm模拟软件对平板热管与常规铜、铝散热基板进行对比模拟分析，发现平板热管能有效降低大功率 LED的结温和热阻。曹红[7]为解决某毫米波功率放大器芯片的散热问题,对功放腔体采用一体化均热板的结构形式，通过热仿真和热测试的验证,证实一体化均热板可有效降低功放芯片的工作温度。此外，均热板散热器吸热芯结构、工艺参数对传热性能的影响等相关研究均被展开[8-10]。

本文设计了3款不同类型的均热板散热器，针对均热板散热器在通信设备中的实际应用场景，对均热板散热器传热效果进行了实验对比研究，研究了不同风速及放置方向(重力因素)对这3种均热板散热的传热性能影响，从而为均热板散热器的设计与使用提供依据。

1 实验原理及方法

1.1 均热板散热器结构

本文设计了3种均热板散热器，散热器外形尺寸相同，均为152 mm×101 mm×12.7 mm，散热器基座厚3 mm，3种不同的散热器结构方案如图1所示。方案A为带有均热板的铝挤压型材散热器，均热板采用空心粉末烧结的结构，嵌入在散热器铝基板中央，均热板宽度为40 mm；方案B为拉链式翅片散热器，基板为金属丝网吸热芯结构的均热板，翅片材质为铝合金；方案C为拉链式翅片散热器，基板为复合芯均热板，其中均热板加热端采用粉末烧结吸热芯，冷凝端采用丝网结构的复合芯结构的蒸汽腔，翅片材质为铝合金。

图1 散热器结构方案

3种均热板散热器的结构参数如表1所示。

表1 散热器结构参数

1.2 实验装置及实验方案

实验装置由直流电源、电阻加热器、散热器、风机、风道和数据采集系统等部分组成，如图2所示。实验在强制对流的条件下进行，通过风速计测量风道内的风速，通过放置在散热器上风口和下风口处的热电偶测量空气进入散热器前后的温度。

图2 实验装置示意

为了研究风速及放置方向对3种散热器传热特性的影响，设计了3种实验方案，如图3所示。图3a为实验方案A，散热器水平放置在风道中，气流方向与重力方向垂直；图3b为实验方案B，散热器侧向放置于风道，气流方向与重力方向垂直；图3c为实验方案C,散热器垂直放置在风道中，气流方向与重力方向相反。

图3 实验方案

实验在室温环境下进行，通过热电偶温度传感器记录测试点温度，热电偶的位置和编号如图4所示。其中测试点7为模拟热源的温度，模拟热源热功耗为60 W。

图4 散热器热电偶分布

本文通过以下参数对比3款散热器的散热性能：散热器总热阻θsa；散热器基板温度梯度ΔTbase；散热器压降Δps。

(1)

ΔTbase=Tb,max-Tb,min

(2)

Δps=pin-pout

(3)

Q为加载的热功耗；Tb,max为散热器基板最大温度；Tb,min为散热器基板最小温度；Ta为散热器上风口的环境温度；pin为散热器进风口处的空气压强；pout为散热器出风口处的空气压强。

2 实验结果及分析

图5是采用实验方案A(散热器水平放置)并根据式(1)计算所得的3种均热板散热器热阻与风速的关系。由图5可知，散热器C在不同风速条件下，具有最小的散热器热阻，优于另外2种均热板散热。

图5 散热器热阻与风速关系

图6是通过实验测试并根据式(3)计算所得3种均温板散热器压降Δps与风速的关系。由图6可知，在不同的风速条件下，3款散热器中散热器A的压降最大，而散热器B和散热器C的压降相同。这主要是因为：散热器A的散热翅片厚度较厚，翅片间距较大，具有较大的风阻；散热器B和散热器C虽然散热器基板不同，但是具有相同的翅片厚度和翅片间距，所以散热器B和散热器C的压降相同，风阻相同。

图6 散热器压降与风速的关系

图7是3款散热器分别采用实验方案A、方案B和方案C并根据式(2)计算所得的散热器基板温度梯度与风速的关系。由图7可知，相对于散热器B和散热器C，散热器A在3种实验条件下具有更均匀的基板温度梯度分布，说明不同放置方向对散热器A的散热性能影响较小。散热器B在3种实验条件下，均热板的温度梯度最大，不同的放置方向对散热器B的散热性能影响较大，说明在相同的翅片结构(翅片高度、翅片厚度、翅片数)条件下，放置方向对复合芯的均热板散热器，相对于丝网吸热芯结构的均热板的影响更小。结合图5进一步说明，为了使散热器散热性能达到最大化，需要使散热器基板均有较好的均温效果。