一種新型相變散熱器設(shè)計(jì)

李如忠

(中國工程物理研究院電子工程研究所， 四川 綿陽 621900)

一種新型相變散熱器設(shè)計(jì)

李如忠

(中國工程物理研究院電子工程研究所， 四川 綿陽 621900)

對于短時(shí)或間歇性工作的大功率電子設(shè)備，特別是工作在臨近空間的電子設(shè)備，利用相變材料進(jìn)行散熱是一種比較有效的冷卻方式。但常用的相變材料導(dǎo)熱系數(shù)比較低，必須采取各種措施強(qiáng)化相變材料的導(dǎo)熱性能。文中在分析相變散熱器中強(qiáng)化傳熱措施的基礎(chǔ)上，針對小型輕量相變散熱器的設(shè)計(jì)要求，設(shè)計(jì)了一種易于加工的內(nèi)嵌螺旋形翅片的相變散熱器。通過對散熱器進(jìn)行簡化，計(jì)算了翅片間距。加熱實(shí)驗(yàn)證明，所設(shè)計(jì)的新型相變散熱器能很好地滿足設(shè)計(jì)要求，螺旋形翅片能明顯增強(qiáng)相變材料的導(dǎo)熱性能，改善相變散熱器的內(nèi)部溫度均勻性。

相變散熱器；螺旋形翅片；強(qiáng)化傳熱

引 言

隨著現(xiàn)代武器電子學(xué)的發(fā)展，出現(xiàn)了一系列具有超高熱流密度、短時(shí)和間歇性工作的大功率組件(如戰(zhàn)略武器的控制系統(tǒng)、引信等)，這類系統(tǒng)工作時(shí)間短,體積小,重量輕,工作環(huán)境惡劣，而熱流密度卻很高，周圍環(huán)境又接近真空，無法進(jìn)行空氣對流散熱，如果不能有效解決散熱問題，則會大大降低系統(tǒng)的可靠性。

固-液相變散熱器具有良好的恒溫性以及較大的相變潛熱，能有效解決短時(shí)、周期性工作的大功率電子器件的散熱問題，在國內(nèi)外航空航天領(lǐng)域得到了越來越廣泛的應(yīng)用[1]。

相變散熱器利用材料從固態(tài)轉(zhuǎn)換為液態(tài)時(shí)需要吸收大量熱量的原理，使在常溫下為固態(tài)的材料(如石蠟)通過吸收發(fā)熱電子設(shè)備的熱量而發(fā)生相變，并且在此過程中相變材料的溫度基本保持不變，從而起到給電子設(shè)備散熱的目的，并且還具有較好的恒溫性。

本文利用相變散熱器的原理，根據(jù)要求設(shè)計(jì)了一種新型相變散熱器，并對散熱器進(jìn)行了加熱試驗(yàn)，結(jié)果表明，設(shè)計(jì)的散熱器能很好地滿足系統(tǒng)的散熱要求。

1 相變散熱器的設(shè)計(jì)要求

1.1 相變散熱器的工作環(huán)境

需要設(shè)計(jì)的相變散熱器是為了給一個(gè)電路板上的3個(gè)高功率芯片散熱，如圖1所示，每個(gè)芯片的發(fā)熱量為15 W。散熱器工作在接近真空的環(huán)境中，與環(huán)境的空氣對流散熱可以忽略不計(jì)，環(huán)境溫度為55 ℃。

圖1 電路板示意圖

1.2 相變散熱器的設(shè)計(jì)要求

相變散熱器設(shè)計(jì)成直徑為130 mm的圓盤形，質(zhì)量不超過300 g，盡量小，能保證電路板工作15 min，芯片外表面溫度不超過80 ℃。

2 相變散熱器的強(qiáng)化傳熱措施分析

常用的相變材料普遍具有導(dǎo)熱率較低的缺點(diǎn)，例如常用的石蠟導(dǎo)熱系數(shù)為0.1～0.4 W/(m·K)，而鋁合金的導(dǎo)熱系數(shù)為107 W/(m·K)，銅的導(dǎo)熱系數(shù)更高, 難以滿足電子設(shè)備的高熱流密度要求。

為了改善相變散熱器的導(dǎo)熱性能，使相變材料能相對均勻地發(fā)生相變，通常在其中添加金屬翅片、金屬網(wǎng)格、金屬粉末和石墨粉末等填充材料。在相變材料中添加金屬粉末或石墨粉末可以強(qiáng)化相變材料內(nèi)部的傳熱性能，但對于相變材料與外部封裝之間的接觸熱阻改善不大，對于電路板散熱的工程實(shí)用性較小。添加金屬網(wǎng)格可以改善相變材料與外部封裝之間的接觸熱阻，并且可以強(qiáng)化相變材料內(nèi)部的傳熱性能，但對于本次設(shè)計(jì)的用于電路板散熱的小型散熱器工藝實(shí)現(xiàn)難度較大。所以，本次設(shè)計(jì)的小型相變散熱器采用添加金屬翅片的形式強(qiáng)化相變材料的傳熱性能。

文獻(xiàn)[2]中討論了相變材料中串聯(lián)和并聯(lián)2種翅片填充的傳熱模型，并對2種模型的傳熱性能進(jìn)行了分析。分析結(jié)果表明：當(dāng)熱量傳遞方向與翅片相垂直即翅片與相變材料構(gòu)成串聯(lián)布置時(shí)，翅片之間的相變材料層構(gòu)成了主要的熱阻，有效導(dǎo)熱系數(shù)受到了極大限制，基本和相變材料的導(dǎo)熱系數(shù)相當(dāng)；當(dāng)熱量傳遞方向與翅片方向一致即翅片與相變材料構(gòu)成并聯(lián)布置時(shí)，傳熱能力得到很大的提高；在相變散熱器中，填充翅片能有效提高沿翅片方向的導(dǎo)熱能力，但熱量橫向擴(kuò)散能力很差，在相變材料吸收熱量的過程中，相變材料熔化速度得不到有效改善，不利于相變儲熱散熱器整體傳熱性能的提高。

3 相變散熱器的翅片設(shè)計(jì)

3.1 翅片形狀設(shè)計(jì)

根據(jù)以上分析，結(jié)合相變散熱器的工況和加工工藝性，設(shè)計(jì)的散熱器為圓盤狀，圓盤內(nèi)部加工出與軸向平行的翅片，熱傳導(dǎo)方向與翅片方向一致，傳熱能力得到了很大提高。該散熱器主要給電路板上的3個(gè)芯片散熱，它與芯片接觸的部分會先受熱使相變材料熔化，相變材料沿散熱器的徑向傳熱能力很差，散熱器的整體傳熱特性得不到提高。為了解決該問題，在平面上將翅片設(shè)計(jì)成螺旋形，如圖2所示。螺旋形狀由1根連通的曲線組成，可以增強(qiáng)相變材料和翅片的橫向傳熱能力，可以大大提高相變材料的均溫性。

圖2 螺旋形翅片散熱器

3.2 翅片間距的確定

翅片間距對相變過程的影響非常大，翅片間距越小對散熱器的整體傳熱性能的強(qiáng)化作用就越明顯，但是，翅片間距減小意味著相變材料填充量的減小和散熱器重量的增加，對散熱器的最大散熱功效不利。所以，必須確定一個(gè)合理的翅片間距。

確定翅片間距的原則是保證相變材料在工作時(shí)間內(nèi)能完全熔化，并在此基礎(chǔ)上使相變散熱器的溫差較小。

把翅片與相變材料簡化為如圖3所示的“三明治”結(jié)構(gòu)[3]，假設(shè)翅片間距為2δ，翅片與相變材料的溫差為5 ℃，在工作時(shí)間內(nèi)，該溫差保持不變，則根據(jù)導(dǎo)熱公式，在翅片上面積為ΔA的柱形體積內(nèi)，相變材料在整個(gè)工作過程中吸收的熱量φ為

(1)

式中：K為相變材料吸收的導(dǎo)熱系數(shù)；δ為翅片間距的一半；T1為翅片的溫度；T2為相變材料的溫度；t為工作時(shí)間。

圖3 翅片和相變材料簡化模型

根據(jù)翅片間距設(shè)計(jì)原則，相變材料吸收的熱量應(yīng)等于相變材料完全熔化所需的熱量，即

φ=ΔA·δ·ρ·H

(2)

式中：ρ為相變材料的密度；H為相變材料的相變焓，即相變潛熱。

由式(1)和式(2)可確定δ= 2.61 mm。為使相變材料能更好地相對均勻地熔化，取翅片間距為4 mm。

3.3 散熱器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

根據(jù)以上分析，設(shè)計(jì)了如圖4所示的散熱器。該散熱器底部有3個(gè)凸臺與電路板上的發(fā)熱芯片接觸，為了減小接觸熱阻，使凸臺與芯片的高度相匹配，在凸臺與芯片之間墊了一層界面導(dǎo)熱材料(界面導(dǎo)熱材料為彈性材料)，并施加了一定的壓力。散熱器內(nèi)部的螺旋形翅片與外腔體采用一體化加工，上部蓋板采用焊接方式密封。

圖4 散熱器底部圖

4 加熱試驗(yàn)

對設(shè)計(jì)的相變儲能散熱器進(jìn)行加熱試驗(yàn)，用3個(gè)大功率電阻模擬電路板上的熱源，在電阻附近布置溫度傳感器，溫度測量結(jié)果如圖5所示。從結(jié)果可以看出，散熱器很好地延緩了電子組件的升溫過程，有15 min的溫升緩沖時(shí)間。螺旋形翅片大大增強(qiáng)了散熱器的傳熱性能，提高了散熱器內(nèi)的溫度均勻性，使熱量迅速被相變材料吸收，改善了散熱器的整體熱性能。

圖5 散熱器溫度測試結(jié)果

5 結(jié)束語

在分析相變散熱器的強(qiáng)化傳熱模型的基礎(chǔ)上，巧妙地設(shè)計(jì)了添加螺旋形翅片的新型相變散熱器，確定了相變散熱器翅片的合理間距。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，所設(shè)計(jì)的新型相變散熱器能很好地滿足設(shè)計(jì)要求，螺旋形翅片大大增強(qiáng)了散熱器的內(nèi)部傳熱性能，使熱量迅速被相變材料吸收。螺旋形翅片結(jié)構(gòu)形式簡單，易于加工，可以廣泛用于小型和輕量化相變散熱器的設(shè)計(jì)。

[1] 張濤, 余建祖. 泡沫銅作為填充材料的相變儲熱實(shí)驗(yàn)[J]. 北京航空航天大學(xué)學(xué)報(bào)，2007,33(9):1021-1024.

[2] 張濤, 余建祖. 相變裝置中填充泡沫金屬的傳熱強(qiáng)化分析[J]. 制冷學(xué)報(bào)，2007,28(6):13-17.

[3] 李如忠. 利用Ansys 進(jìn)行相變散熱器設(shè)計(jì)[J]. 機(jī)械工程與自動化, 2009(8):40-41.

李如忠 (1974-)，男，副研究員，主要從事電子產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和熱設(shè)計(jì)工作。

Design of a New Type Phase-change Radiator

LI Ru-zhong

(InstituteofElectronicEngineering,ChinaAcademyofEngineeringPhysics，Mianyang621900,China)

For the high power electronic devices for short time or intermittent work, especially the electronic equipment working near space, heat dissipation by phase-change materials is a kind of more effective cooling way. But because the thermal conductivity of the commonly used phase-change materials is low, various measures must be taken to improve the thermal conductivity of phase-change materials. Based on analysis of heat transfer enhancement measures of the phase-change radiator, a new type phase-change radiator embedded in spiral fins is designed and the space between fins is calculated. The experiment results indicate that the new type phase-change radiator can well meet the design requirements. The spiral fin can significantly enhance the thermal conductivity of phase-change materials and improve the temperature uniformity in the phase-change radiator.

phase-change radiator; spiral fins; thermal conductivity enhancement

2013-03-12

TK414.2

A

1008-5300(2013)04-0037-03