熱管冷板冷卻性能實(shí)驗(yàn)研究*

錢吉裕，李金旺，戰(zhàn)棟棟

(南京電子技術(shù)研究所， 江蘇 南京 210039)

熱管冷板冷卻性能實(shí)驗(yàn)研究*

錢吉裕，李金旺，戰(zhàn)棟棟

(南京電子技術(shù)研究所， 江蘇 南京 210039)

文中通過實(shí)驗(yàn)研究了熱管冷板在不同熱流密度下的冷卻性能。結(jié)果表明：當(dāng)熱流密度為16.7 W/cm2、29.6 W/cm2和46.3 W/cm2時(shí)，用熱管冷板取代普通冷板能使熱源的平均溫度分別降低1.0 ℃、4.2 ℃和12.5 ℃，同一組件上不同熱源的溫度差異分別減小1.4 ℃、1.4 ℃和1.7 ℃。在未來(lái)高熱流密度的雷達(dá)冷卻場(chǎng)合，采用熱管冷板取代現(xiàn)有的普通冷板，有望取得可觀的冷卻效果。

冷卻；冷板；熱管

引 言

在雷達(dá)系統(tǒng)中，為了方便安裝和維護(hù)，冷卻介質(zhì)(特別是液體介質(zhì))一般不直接與電子組件接觸，而是只在冷板內(nèi)流動(dòng)。所謂冷板，就是一種特殊的換熱器，其內(nèi)部包含流道，工作時(shí)內(nèi)部流道內(nèi)的流體與冷板進(jìn)行熱交換。組件工作時(shí)產(chǎn)生的熱量通過模塊的殼體傳導(dǎo)給冷板的殼體，再由冷板的殼體通過對(duì)流換熱的方式傳給冷卻介質(zhì)，然后通過冷卻介質(zhì)的流動(dòng)和循環(huán)被帶走[1]。

熱管是傳熱領(lǐng)域在上個(gè)世紀(jì)的最重要的發(fā)明之一，它利用相變潛熱進(jìn)行熱量傳遞，其當(dāng)量導(dǎo)熱系數(shù)較常見金屬的導(dǎo)熱系數(shù)大得多，在電子設(shè)備冷卻等方面具有很大的應(yīng)用前景，引起了大量學(xué)者的關(guān)注[2-3]。將熱管應(yīng)用在雷達(dá)設(shè)備冷卻中，有望取得很好的效果，前人在此方面也進(jìn)行了一定的研究，但多數(shù)以仿真分析為主，實(shí)驗(yàn)研究并不多[4-8]。將熱管集成在冷板內(nèi)部，可提高冷板的導(dǎo)熱性能，尤其能提高冷板的均溫性，對(duì)此，文獻(xiàn)[9]～[11]對(duì)熱管冷板進(jìn)行了研究，結(jié)果表明熱管冷板具有較好的性能，能夠滿足一定熱流密度的散熱要求。

本文對(duì)熱管冷板在不同熱流密度下的冷卻性能進(jìn)行了研究，為進(jìn)一步研究熱管冷板在雷達(dá)冷卻中的應(yīng)用提供參考。

1 試驗(yàn)方法與條件

文中設(shè)計(jì)和加工了2種冷板：一種是普通的冷板，一種是在普通的冷板殼體上嵌入熱管，熱管在冷板上的位置布局如圖1所示。熱源通過加熱電阻產(chǎn)生，單個(gè)電阻的阻值為100 Ω，截面面積為0.54 cm2，不同熱流密度的工況通過改變加在電阻上的電壓值獲得，各工況的參數(shù)見表1。所有工況供液溫度均為27 ℃，供液流量均為40L/h，冷卻介質(zhì)均為65%乙二醇水溶液。此試驗(yàn)的溫度采用NEC H2640型紅外熱像儀進(jìn)行測(cè)試，試驗(yàn)系統(tǒng)如圖2所示。加熱電阻焊接在組件上，組件通過壓接與冷板相連接，冷板的進(jìn)出口分別與末端冷卻機(jī)組的供、回液管路相連。

圖1 熱管在冷板上的位置布局

參數(shù)工況1工況2工況3電壓/V304050熱耗/W91625熱流密度/(W·cm-2)16．729．646．3

圖2 試驗(yàn)系統(tǒng)示意圖

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 較低熱流密度的情況(工況1)

在組件、冷卻液參數(shù)和熱流密度(16.7 W/cm2)相同的條件下，分別采用普通冷板和熱管冷板進(jìn)行冷卻，試驗(yàn)結(jié)果如圖3所示。從試驗(yàn)結(jié)果可以看出：左邊4個(gè)熱源的平均溫度為44.1 ℃, 溫度差異為4.4 ℃;右邊4個(gè)熱源的平均溫度為43.1 ℃, 溫度差異為3 ℃。由此可見，在此種熱流密度條件下，以熱管冷板替代普通冷板的溫度改善效果為1 ℃, 溫度差異縮小了1.4 ℃。

圖3 較低熱流密度情況下的溫度對(duì)比

2.2 中等熱流密度的情況(工況2)

在組件、冷卻液參數(shù)和熱流密度(29.6 W/cm2)相同的條件下，分別采用普通冷板和熱管冷板進(jìn)行冷卻，試驗(yàn)結(jié)果如圖4所示。從試驗(yàn)結(jié)果可以看出：左邊4個(gè)熱源的平均溫度為67.1 ℃，溫度差異為10.5 ℃；右邊4個(gè)熱源的平均溫度為62.9 ℃，溫度差異為9.1 ℃。由此可見，在此種熱流密度條件下，以熱管冷板替代普通冷板的溫度改善效果為4.2 ℃，溫度差異縮小了1.4 ℃。

圖4 中等熱流密度情況下的溫度對(duì)比

2.3 較高熱流密度的情況(工況3)

在組件、冷卻液參數(shù)和熱流密度(46.3 W/cm2)相同的條件下，分別采用普通冷板和熱管冷板進(jìn)行冷卻，試驗(yàn)結(jié)果如圖5所示。從試驗(yàn)結(jié)果可以看出：左邊4個(gè)熱源的平均溫度為93.4 ℃，溫度差異為16.0 ℃；右邊4個(gè)熱源的平均溫度為80.9 ℃，溫度差異為14.3 ℃。由此可見，在此種熱流密度條件下，以熱管冷板替代普通冷板的溫度改善效果達(dá)12.5 ℃，溫度差異縮小了1.7 ℃。需要指出的是，此實(shí)驗(yàn)中以熱管冷板替代普通冷板時(shí)不同芯片的溫度差異減小得并不十分明顯，因?yàn)闊峁艿牟贾梅较蚺c芯片排列的方向是垂直的。如果熱管的布置方向與芯片排列的方向平行(熱管在芯片的正下方)，芯片的溫度一致性就有望得到明顯的提升。

圖5 較高熱流密度情況下的溫度對(duì)比

從以上結(jié)果可以看出，當(dāng)熱流密度為16.7 W/cm2時(shí)，熱管冷板與普通冷板相比，優(yōu)勢(shì)不是很明顯；隨著熱流密度的增大，熱管冷板較普通冷板的優(yōu)勢(shì)就越明顯，當(dāng)熱流密度達(dá)到29.6 W/cm2以上時(shí)，使用熱管冷板能夠使熱源的平均溫度降低4.2℃；當(dāng)熱流密度達(dá)到46.3 W/cm2時(shí)，使用熱管冷板能夠使熱源的平均溫度降低12.5 ℃。在未來(lái)高熱流密度的雷達(dá)冷卻場(chǎng)合，采用熱管冷板取代現(xiàn)有的普通冷板，有望取得可觀的冷卻效果。

3 結(jié)束語(yǔ)

熱管是一種高效傳熱元件，熱管與傳統(tǒng)冷板相結(jié)合得到的熱管冷板，因其等效導(dǎo)熱系數(shù)比冷板基體材料的導(dǎo)熱系數(shù)高得多，因而其整體傳熱性能得到了提高。未來(lái)雷達(dá)系統(tǒng)的熱流密度會(huì)有較大提高，傳統(tǒng)的冷板將難以滿足其使用要求，熱管冷板將成為一種可行的選擇，尤其是在地面雷達(dá)和艦載雷達(dá)的場(chǎng)合，因?yàn)檫@些場(chǎng)合對(duì)反重力運(yùn)行的要求不高。熱管冷板可以降低芯片的溫度以及不同芯片之間的溫度梯度，使用熱管冷板的系統(tǒng)可以接受更高溫度的冷卻液，因此，熱管冷板在未來(lái)有望廣泛應(yīng)用在雷達(dá)系統(tǒng)的冷卻當(dāng)中。

[1] 李金旺，錢吉裕. 固態(tài)T/R 組件的熱擴(kuò)展與冷卻特性[J]. 現(xiàn)代雷達(dá), 2013, 35(增刊): 532-534.

[2] MOCHIZUKI M, NGUYEN T, MASHIKO K, et al. A review of heat pipe application including new opportunities[J]. Frontiers in Heat Pipes, 2011, 2(1): 031001.

[3] FILIPPESCHI S. Comparison between miniature periodic two-phase thermosyphons and miniature LHP applied toelectronic cooling equipment[J]. Applied Thermal Engineering, 2011, 31(5): 795-802.

[4] 梅啟元. 熱管在雷達(dá)散熱上應(yīng)用的可行性研究[J]. 電子機(jī)械工程, 2007, 23(1): 17-19.

[5] 秦灝卿. 熱管在機(jī)載雷達(dá)中的應(yīng)用研究[J]. 電子機(jī)械工程, 2007, 23(2): 26-28.

[6] 曹良強(qiáng), 吳鋼, 王懷. 相控陣?yán)走_(dá)T/R組件冷卻仿真研究[J]. 低溫與超導(dǎo), 2008, 36(8): 37-40.

[7] 吳鋼, 曹良強(qiáng), 黃平, 等. 艦船雷達(dá)T/R組件熱管冷卻的仿真與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證[J]. 武漢理工大學(xué)學(xué)報(bào): 交通科學(xué)與工程版, 2009(3): 475-478.

[8] 楊雙根. 固態(tài)組件冷板熱擴(kuò)展體性能分析[J]. 雷達(dá)科學(xué)與技術(shù), 2009(3): 240-244.

[9] 馬哲樹, 姚壽廣, 明曉. 新型熱管冷板傳熱性能的試驗(yàn)研究[J]. 南京航空航天大學(xué)學(xué)報(bào), 2004, 36(2): 169 -173.

[10] 姚壽廣, 馬陳. 一種新型結(jié)構(gòu)的熱管式散熱冷板性能的數(shù)值模擬試驗(yàn)與分析[J]. 中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào), 2005, 25(7): 41-45.

[11] 余莉, 韓玉, 曹業(yè)玲, 等. 電子設(shè)備散熱用平板式熱管的實(shí)驗(yàn)研究[J]. 南京航空航天大學(xué)學(xué)報(bào), 2008, 40(5): 627-631.

Experiment Study on Cooling Performance of Heat Pipe Cold Plate

QIAN Ji-yu，LI Jin-wang，ZHAN Dong-dong

(NanjingResearchInstituteofElectronicsTechnology,Nanjing210039,China)

The cooling performance of heat pipe cold plate with different heat fluxes is studied by experiment in this paper. The result shows that using heat pipe cold plate instead of common cold plate can make the average temperature of the heat sources drop by 1.0 ℃, 4.2 ℃ and 12.5 ℃ respectively, and make the maximum temperature differences of different heat sources in the same module reduce by 1.4 ℃, 1.4 ℃ and 1.7 ℃ respectively when the heat fluxes are 16.7 W/cm2, 29.6 W/cm2and 46.3 W/cm2. The cooling performance will be improved a lot using heat pipe cold plate instead of common clod plate in the future radar thermal management.

cooling; cold plate; heat pipe

2014-04-15

TK414

A

1008-5300(2014)03-0010-02