熱管式密閉電子設備元件散熱實驗研究

周景民 王曉麗

(1:吉林建筑工程學院學生工作處，長春 130118;2:吉林建筑工程學院職業(yè)技術學院，長春 130118)

0 引言

對于大功率密閉電子設備，強制對流熱管散熱器是解決其電子元件散熱最有效的途徑［1-2］，熱管散熱器二次間壁特點，是將密閉電子設備結構分成內(nèi)外兩個空間，熱管散熱器蒸發(fā)段安裝在電子設備柜內(nèi)，與電子設備柜形成內(nèi)循環(huán);冷凝段安裝在設備柜外，與外界大氣組成外循環(huán);內(nèi)外循環(huán)的熱量傳遞通過熱管內(nèi)工作介質(zhì)實現(xiàn).熱管蒸發(fā)段內(nèi)工作介質(zhì)將柜內(nèi)空氣熱量吸收降溫，然后再將冷空氣送入柜內(nèi)進入內(nèi)循環(huán).熱管蒸發(fā)段內(nèi)的工作介質(zhì)吸熱后蒸發(fā)，到達熱管冷凝段.在冷凝段，環(huán)境中的冷空氣被吸入，吸取熱管熱量并升溫，然后再排入大氣環(huán)境中.

通過上述的換熱過程，實現(xiàn)將密閉電子設備柜內(nèi)的熱量傳遞到外部環(huán)境中而與環(huán)境大氣沒有任何氣體交換;從而達到了在實現(xiàn)調(diào)節(jié)柜內(nèi)溫度，同時起到了防止灰塵、油霧、水蒸氣等會被氣流帶進設備內(nèi)而滋生污染的效果［3］.

1 熱管電子設備散熱實驗研究

為了測量電子元件表面溫度，以及密閉空間溫度，建立熱管式密閉電設備綜合性能測試系統(tǒng)裝置，裝置結構如圖1所示.

本實驗系統(tǒng)由三部分組成:熱管散熱裝置、密閉電子設備裝置、實驗數(shù)據(jù)測試系統(tǒng).在熱管換熱器蒸發(fā)段出口位置處設置一10 mm厚、500 mm寬、950 mm高的絕熱板，將密閉空間分隔成兩個通道，形成封閉內(nèi)循環(huán)空氣回路.在熱管換熱器蒸發(fā)段入口側(cè)通道設置不同功率的發(fā)熱元件模擬電子元件.電子元件發(fā)熱量為500 W，根據(jù)傳熱學公式計算得到殼體散熱大約在250 W左右，需熱管換熱器散熱大約250 W左右.

試驗中，所有的溫度都通過E型鎳鉻-康銅熱電偶測量，熱電偶通過冰點校準，隨機波動在0.1℃以內(nèi).各熱電偶通過補償導線和接線柱引接到惠普測溫儀，將惠普測溫儀HP-34970 A和計算機串接，通過計算機來存儲記錄試驗數(shù)據(jù);加熱段與冷凝段的空氣流量采用ZRQF-J型智能風速儀測量，采用巖棉保溫的方法來減少風管散熱損失.

圖1 熱管式密閉電設備綜合性能測試系統(tǒng)裝置示意圖

2 密閉空間內(nèi)電子元件優(yōu)化布局實驗測量值與數(shù)值模擬值對比分析

2.1 無熱管換熱器條件下密閉空間內(nèi)溫度分布及電子元件表面溫度分布

圖2、圖3表明:密閉電子設備在沒有換熱條件下，其內(nèi)部電子元件工作環(huán)境非常惡劣.如圖2所示，功率為250 W元件整體布置時，表面溫度達到450℃以上.隨元件數(shù)量增加，元件表面溫度下降，但溫度仍高于元件允許溫度.此外如圖3所示，密閉空間內(nèi)溫度隨著時間的推移，工作溫度亦不斷提高，均超過元件允許的工作溫度，且有繼續(xù)上升趨勢.因此，密閉電子設備高效熱設計勢在必行.

圖2 電子元件表面溫度隨時間變化曲線

圖3 密閉空間內(nèi)溫度隨時間變化曲線

2.2 熱管式密閉空間內(nèi)溫度分布及電子元件表面溫度分布

2.2.1 功率為250 W電子元件不同位置整體布局時溫度場分析

圖4與圖5為電子元件不同位置整體布置時表面溫度與密閉空間內(nèi)流體工作溫度的實驗測量值，圖6與7為電子元件不同位置整體布置時表面溫度與空間內(nèi)工作溫度的市值計算值.在熱管換熱器換熱條件下，實驗測得環(huán)境溫度為21℃，室內(nèi)通風良好，密閉空間內(nèi)氣體質(zhì)量流速為0.1 kg/s.發(fā)熱元件放置在設備中間位置時其表面溫度為262℃(535 K)低于出口放置時的表面溫度329℃(602 K)，這一結果與理論分析一致.與圖7與圖8所示的數(shù)值模擬計算值比較:在邊界條件相同情況下，模擬值與實驗測量值基本吻合，試驗測量值稍低于模擬計算值，誤差在10%左右.其原因主要是試驗條件下，發(fā)熱元件由電阻絲模擬電子元件所致.

圖4 電子元件不同位置整體布置表面最高溫度隨時間變化

圖5 不同位置整體布置密閉空間內(nèi)最高溫度隨時間變化

圖6 元件表面最高溫度及空間內(nèi)流體溫度場變化數(shù)值模擬值

圖7 元件表面最高溫度及空間內(nèi)流體溫度場變化數(shù)值模擬值

2.2.2 功率為250 W均分4等份電子元件均勻布置時溫度場分析

圖8與9功率為250 W均分4等份電子元件均勻布置時元件表面溫度與密閉空間內(nèi)流體工作溫度的實驗測量值，圖10為250 W均分4等份電子元件均勻布置時元件表面溫度與空間內(nèi)工作溫度的市值計算值.在熱管換熱器換熱條件下，實驗測得環(huán)境溫度為18℃，密閉設備內(nèi)氣體質(zhì)量流速為0.09 kg/s.測得250 W均分4等份電子元件均勻布置時元件表面溫度117℃(390 K)，達到元件允許的溫度，這一結果與理論分析一致.模擬值與實驗測量值基本吻合，試驗測量值較數(shù)值模擬小，誤差15%左右.

圖8 電子元件均與布置元件表面溫度隨時間變化曲線

圖9 電子元件均與布置密閉空間溫度場隨時間變化曲線

兩種不同放置情況下，設備內(nèi)流體工作溫度基本相同，最高達34℃，遠低于設備允許的溫度.結合以上研究結果，熱管換熱器用于密閉電子設備散熱優(yōu)勢較明顯.采用數(shù)值方法對設備內(nèi)電子元件進行優(yōu)化設計，不僅能夠快速預測設備參數(shù)的影響，而且快速制定設備優(yōu)化設計方案.

圖10 電子元件均勻布置時元件表面最高溫度及空間內(nèi)流體溫度場變化數(shù)值模擬值

3 結論

本文建立熱管式密閉電子設備綜合性能測試系統(tǒng)試驗臺.通過數(shù)值模擬結果與實驗測量結果對比分析，得出以下結論:

(1)電子元件整體布置在流體入口處與出口處時元件表面溫度較高，這是由于對流邊界熱阻高于等溫邊界熱阻的緣故.因此，電子元件整體布置時，應盡量將元件放置在等溫邊界，即設備中間部位;

(2)密閉電子設備內(nèi)流體質(zhì)量流速、流體進口溫度、環(huán)境空氣自然對流換熱系數(shù)的影響較大，而外界環(huán)境溫度的影響較小;

(3)數(shù)值分析結果與實驗測量結果基本吻合，其結果為密閉電子設備的熱設計提供了優(yōu)化和改進的參考，從而使元件的結溫(表面溫度)及密閉空間內(nèi)元件工作溫度得到更好的控制.

［1］姚壽廣，馬哲樹.電子電器設備中高效熱管散熱技術的研究現(xiàn)狀及發(fā)展［J］.華東船舶工業(yè)學院學報，2003，17(4):9-12.

［2］莊 駿，張 紅.熱管技術及其工程應用［M］.北京:化學工業(yè)出版社，2000:355-359.

［3］王 萌.高密度密閉電子設備熱設計及結構優(yōu)化研究［D］.西安:西安電子科技大學，2007.