開孔泡沫金屬散熱性能實(shí)驗(yàn)研究

馮濤

摘 要：開孔泡沫金屬材料密度小，質(zhì)量輕，組成這種材料的金屬基材有良好的導(dǎo)熱性。因?yàn)檫@些特點(diǎn)的存在，這一材料的在輕量化、小型化電子產(chǎn)品制造領(lǐng)域當(dāng)中的廣泛得到了廣泛應(yīng)用。通過(guò)設(shè)計(jì)開孔泡沫金屬專用測(cè)試工裝，對(duì)各種基材的泡沫金屬散熱性能進(jìn)行研究，得到不同開孔泡沫金屬材料的散熱性能，為開孔泡沫泡沫金屬的應(yīng)用提供重要依據(jù)。

關(guān)鍵詞：機(jī)載電子設(shè)備;開孔泡沫金屬;散熱;換熱系數(shù)

中圖分類號(hào)：TG111.3 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1671-2064（2019）14-0089-02

1 概述

1.1 泡沫金屬

在現(xiàn)實(shí)情況當(dāng)中，我們依據(jù)泡沫金屬的孔結(jié)構(gòu)，把眾多的泡沫金屬材料大致分為兩類，分別是閉孔泡沫金屬材料以及開孔金屬泡沫材料。

閉孔金屬泡沫材料內(nèi)部的孔洞都是被里面的金屬骨架進(jìn)行隔開的，從而使得每一個(gè)孔洞之間都是沒有相互連通的，每一個(gè)孔洞都是獨(dú)立存在的，這也就是說(shuō)，在閉孔泡沫金屬材料當(dāng)中，每一個(gè)孔洞其實(shí)都是封閉的，所以我們將其稱為閉孔泡沫金屬材料。

相對(duì)于閉孔泡沫金屬而言，開孔泡沫金屬材料里面的每一個(gè)孔洞都是互相連通的，使得流體能夠順利從這些孔洞當(dāng)中流過(guò)。也正是這些孔洞的存在，有效的增加了金屬骨架和流體的換熱面積，從而形成一種換熱介質(zhì)，因?yàn)殚_孔泡沫有著韌性高、重量小、強(qiáng)度高的特點(diǎn)，所以這種材料應(yīng)用在航天設(shè)備以及各種汽車構(gòu)件，甚至飛機(jī)的起落架中加以應(yīng)用，此外，還廣泛應(yīng)用在各種設(shè)備的散熱器當(dāng)中，從而有效解決這些設(shè)備的散熱問(wèn)題。本文主要對(duì)于開孔泡沫金屬其散熱性能進(jìn)行研究。

1.2 開孔泡沫金屬材料散熱系統(tǒng)的研究

開孔泡沫金屬材料，這種固體金屬材料的組成結(jié)構(gòu)和我們?nèi)梭w的細(xì)胞結(jié)構(gòu)有著相似點(diǎn)的，正是由于這種組成結(jié)構(gòu)的原因，開孔泡沫金屬材料的大部分體積都是由孔隙體積組成的。在實(shí)際情況當(dāng)中，這種材料的金屬的體積占比一般都只有整體體積的5%～25%，這也就使得這種材料有著較輕的質(zhì)量，有著比較不同于大多金屬材料的性能以及有著非常優(yōu)良的散熱性能。

開孔泡沫材料，保留了形成它的金屬基材一些物理性質(zhì)有，如開孔泡沫材料的基礎(chǔ)材料是不易燃的，所形成的這種泡沫材料也是不易燃的，這就是對(duì)于基礎(chǔ)材料其物理性質(zhì)的保留，此外還有抗腐蝕性能、導(dǎo)電性等，與原金屬基材一致。

近年以來(lái)，很多的開孔泡沫金屬材料的研究主要集中在其微通道結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)以及優(yōu)化配置。當(dāng)這種開孔泡沫金屬材料處于強(qiáng)制對(duì)流或者是自然對(duì)流的環(huán)境當(dāng)中時(shí)，通常利用其高孔隙率延伸表面，如散熱翅片，帶排氣孔的針翅等。還有就是因?yàn)檫@種材料的表面積比較大，使得在很多的散熱原件當(dāng)中，多孔介質(zhì)也是得到了非常廣泛的應(yīng)用。尤其要是高孔隙率的這種金屬材料，其孔隙要是能夠達(dá)到或者是超過(guò)零點(diǎn)九，那么，就能夠使得這種材料的滲透性更加的高，并且其質(zhì)量也會(huì)變的更加的輕。也正是因?yàn)檫@種材料具備這這些優(yōu)點(diǎn)，因此，開孔泡沫材料有著非常廣泛的發(fā)展前途。

2 開孔泡沫金屬散熱性能測(cè)試工裝

對(duì)于開孔泡沫金屬的測(cè)試工裝其組成結(jié)構(gòu)分為集風(fēng)裝置、測(cè)試工位和前后風(fēng)道這幾個(gè)部分組成。在集風(fēng)裝置里面，有著導(dǎo)流板的存在，這一存在的目的就在于使得流體能夠在流到內(nèi)進(jìn)行均勻的流動(dòng)，而前后風(fēng)道的作用就是讓對(duì)流能夠充分的發(fā)展，而風(fēng)壓以及流速測(cè)試點(diǎn)的設(shè)置位置應(yīng)當(dāng)在測(cè)試工位的出入口處。

2.1 測(cè)試的系統(tǒng)

圖1是對(duì)開孔泡沫金屬材料測(cè)試的系統(tǒng)圖，這一測(cè)試系統(tǒng)是由數(shù)據(jù)采集器、開孔泡沫金屬樣件、模擬熱源、斜管壓力計(jì)、直流電源、供風(fēng)設(shè)備、PC機(jī)等這些部分組成，在進(jìn)行對(duì)開孔泡沫金屬材料的測(cè)試時(shí)，要求要在實(shí)驗(yàn)室當(dāng)中來(lái)進(jìn)行，而供風(fēng)設(shè)備就能夠?yàn)檫@一金屬材料在進(jìn)行檢測(cè)的時(shí)候，提供足夠的冷卻空氣，在進(jìn)行對(duì)于模擬熱源進(jìn)行供電的時(shí)候，要求要供應(yīng)直流穩(wěn)壓的電流，在依據(jù)現(xiàn)行機(jī)載設(shè)備其風(fēng)量的相關(guān)要求，來(lái)進(jìn)行對(duì)系統(tǒng)的供風(fēng)量加以合理的調(diào)整，在利用風(fēng)速計(jì)，來(lái)進(jìn)行對(duì)于供風(fēng)量的測(cè)量，采用斜管壓力計(jì)測(cè)量系統(tǒng)壓降值，使用FLUKE數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)測(cè)量泡沫金屬測(cè)試裝置各處溫度值，在PC機(jī)上讀取模擬熱源溫度值。

2.2 測(cè)試的原理

通過(guò)利用卡尺，來(lái)進(jìn)行對(duì)加熱底面的長(zhǎng)度以及寬度的測(cè)量，我們分別用X1和X2來(lái)表示，從而進(jìn)行對(duì)底部換熱面積的計(jì)算我們用來(lái)A表示。在通過(guò)利用電源的電流值以及電壓值，分別用I和U表示，來(lái)進(jìn)行對(duì)相關(guān)散熱功效的計(jì)算，我們用Q來(lái)表示。在進(jìn)行熱電偶的安裝的時(shí)候，應(yīng)當(dāng)緊貼著模擬熱源的表面，從而進(jìn)行對(duì)模擬熱源的溫度進(jìn)行測(cè)量，我們用T1～6來(lái)表示。從而來(lái)進(jìn)行對(duì)模擬熱源其平均溫度的計(jì)算，我們用Tp來(lái)表示。而對(duì)流介質(zhì)其出入口的溫度我們是用熱電偶在原理樣件的出入口處測(cè)得的，我們用Tc和Tr來(lái)進(jìn)行表示。對(duì)于壁面的溫度測(cè)量，同樣是利用熱電偶來(lái)完成的，熱電偶的設(shè)置位置是在加熱面空氣對(duì)流的側(cè)壁面，我們用Tw1～Tw6來(lái)進(jìn)行表示，再利用測(cè)得的數(shù)據(jù)來(lái)計(jì)算出平均溫度Tw。在進(jìn)行測(cè)試的時(shí)候，首先打開電源，在進(jìn)行對(duì)電源的輸出電壓進(jìn)行一定的調(diào)整，時(shí)期達(dá)到預(yù)定值。而模擬熱源其穩(wěn)定狀態(tài)我們就要依據(jù)熱電偶的溫度在半個(gè)小時(shí)的變化，當(dāng)變化小于零點(diǎn)五攝氏度的時(shí)候，我們就可以認(rèn)為模擬熱源是處于穩(wěn)定的狀態(tài)。在進(jìn)行測(cè)試的時(shí)候，要進(jìn)行對(duì)于上述各種參數(shù)的及時(shí)準(zhǔn)確的記錄，從而進(jìn)行下面的計(jì)算。

根據(jù)公式計(jì)算換熱系數(shù)：

h=Q/A/（Tw-Tf）

式中，Q為散熱功耗，A為底部加熱面面積;Tw為加熱面的平均壁面溫度;Tf為流體平均溫度，Tf等于流體入口溫度和流體出口溫度的平均值。

3 相關(guān)分析

依據(jù)上述的原理和方法，我們進(jìn)行了對(duì)于傳統(tǒng)鋁制優(yōu)化肋片散熱樣件、95%20PPi泡沫銅散熱樣件、95%10PPi泡沫銅散熱樣件、95%20PPi泡沫鎳散熱樣件的測(cè)試，在進(jìn)行下面的研究分析。

3.1 對(duì)不同散熱材料熱源溫度的比照分析

在進(jìn)行測(cè)試中，環(huán)境溫度是保持在二十六攝氏度進(jìn)行的，總功耗為55.8W，當(dāng)處在強(qiáng)迫冷風(fēng)條件下時(shí)，我們對(duì)傳統(tǒng)鋁制優(yōu)化肋片散熱樣件、95%10PPi泡沫銅散熱樣件、95%20PPi泡沫鎳散熱樣件進(jìn)行了測(cè)試，并進(jìn)行對(duì)它們的模擬熱源的溫度進(jìn)行了測(cè)量以及對(duì)于測(cè)量結(jié)果進(jìn)行了比照。我們就能夠清楚的看出，傳統(tǒng)鋁制優(yōu)化肋片散熱樣件和95%10PPi泡沫銅散熱樣件相互比較，前者的模擬熱源的溫度，要明顯高于后者的，高出的具體數(shù)據(jù)為6.6℃。而傳統(tǒng)鋁制優(yōu)化肋片散熱樣件在和95%20PPi泡沫鎳散熱樣件進(jìn)行相互比較，我們發(fā)現(xiàn)這兩種材料的模擬熱源的溫度沒有太大的差距存在。這也就說(shuō)明，傳統(tǒng)鋁制優(yōu)化肋片散熱樣件以及95%20PPi泡沫鎳散熱樣件，這兩種材料的散熱性能和95%10PPi泡沫銅散熱樣件相比較，后者的散熱性能，是要遠(yuǎn)比前兩種材料的散熱性能要優(yōu)秀的。雖然20PPi泡沫鎳其孔密度是10PPi泡沫銅孔密度的一倍之多，因此，前者的表面積也就相應(yīng)的更大一些，但是在換熱效果上，確是恰恰相反，95%10PPi泡沫銅散熱樣件的換熱效果，卻反而要比前者好一些，導(dǎo)致這種情況出現(xiàn)的原因就在于金屬銅的導(dǎo)熱率要遠(yuǎn)遠(yuǎn)的小于金屬鎳的導(dǎo)熱率，他們的導(dǎo)熱率分別為385W/m/K和59W/m/K，因此，我們就可以知道，形成開孔金屬泡沫材料的基礎(chǔ)材料的導(dǎo)熱率，對(duì)于開孔金屬材料的散熱效果有著非常巨大的影響。

3.2 95%20PPi泡沫銅散熱樣件換熱系數(shù)分析

當(dāng)95%20PPi泡沫銅散熱樣件處在不一樣的功耗情況下，其換熱系數(shù)也是隨著雷諾數(shù)進(jìn)行不斷的變化，我們依據(jù)相關(guān)的數(shù)據(jù)，制作出變化曲線圖，當(dāng)流速在進(jìn)行增加之后，相應(yīng)的對(duì)流換熱程度也是隨之有所增強(qiáng)，95%20PPi開孔泡沫銅當(dāng)處在低雷諾數(shù)的范圍當(dāng)中時(shí)，會(huì)有著較高的換熱系數(shù)，因?yàn)樵陂_孔泡沫金屬的內(nèi)部，其金屬骨架，會(huì)對(duì)于流體有著一定的擾流作用，從而就會(huì)對(duì)熱邊界層進(jìn)行破壞，從而導(dǎo)致流體湍流程度的增加，最終使得換熱效果有著一定程度的增強(qiáng)。

4 研究結(jié)果

通過(guò)對(duì)95%10PPi泡沫銅散熱樣件、傳統(tǒng)鋁制優(yōu)化肋片散熱樣件、95%20PPi泡沫鎳散熱樣件、95%20PPi泡沫銅散熱樣件的實(shí)驗(yàn)測(cè)試，得到以下研究結(jié)果：

（1）095%10PPi泡沫銅散熱性能優(yōu)于傳統(tǒng)鋁制優(yōu)化肋片結(jié)構(gòu)，在增強(qiáng)機(jī)載電子模塊殼體散熱性能方面有應(yīng)用前景。（2）開孔泡沫鎳由于基材導(dǎo)熱率較低，與傳統(tǒng)鋁制優(yōu)化肋片結(jié)構(gòu)散熱性能相比無(wú)明顯優(yōu)勢(shì)。（3）開孔泡沫金屬的基材導(dǎo)熱率對(duì)開孔泡沫金屬散熱效果影響明顯，作為散熱材料時(shí)，應(yīng)優(yōu)先選擇基材導(dǎo)熱率高的開孔泡沫金屬。（4）開孔泡沫金屬換熱系數(shù)隨雷諾數(shù)Re增加而增加，在低雷諾數(shù)Re范圍內(nèi)有較高的換熱系數(shù)，孔內(nèi)流體湍流程度的增加，增強(qiáng)了換熱效果。

5 結(jié)語(yǔ)

在目前，人們對(duì)于電子產(chǎn)品的要求也是越來(lái)越高，各種功能強(qiáng)大的電子產(chǎn)品也是越來(lái)越多，但是，因?yàn)檫@種產(chǎn)品在進(jìn)行工作運(yùn)行的時(shí)候，往往會(huì)有著大量的熱產(chǎn)生，而產(chǎn)生的熱量，會(huì)對(duì)于電子產(chǎn)品的性能有著很大的影響，但是通過(guò)開孔泡沫金屬材料的應(yīng)用，能夠有效的解決這一問(wèn)題，為電子產(chǎn)品的發(fā)展提供有力的幫助。

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