針對密閉結(jié)構(gòu)高熱流密度器件的高效散熱器研究

張劍冰

摘要：散熱器是高熱量器件必備的，對于降低器件的溫度、消除安全隱患具有重要的作用。本文從發(fā)明背景、本設(shè)備的相關(guān)參數(shù)和優(yōu)勢、具體使用方法三方面介紹這種專門針對密閉結(jié)構(gòu)高熱流密度器件的高效散熱器，希望可以為大家提供可靠的建議。

Abstract： The radiator is the necessary accessory equipment of the high heat device， which plays an important role in reducing the temperature of the device and eliminating the hidden danger of safety. The author introduces this kind of high-efficiency radiator which is specially designed for the closed structure high heat flux device from three aspects： the background of the invention， the relevant parameters and advantages of the equipment， and the specific use method， hoping to provide reliable suggestions for you.

關(guān)鍵詞：密閉結(jié)構(gòu);高熱流密度器件;散熱器

Key words： closed structure;high heat flux device;radiator

1? 散熱器的發(fā)展現(xiàn)狀

隨著高熱流密度器件散發(fā)熱量的增多，普通散熱器很難滿足需求。熱管散熱器與普通散熱器不同的地方在于使用了熱管，大大提高了熱量的流動，從而提高了散熱效率。高熱流密度器件主要是為自熱源到環(huán)境之間設(shè)置一條較低的熱阻通路，這種裝置的主要目的是控制溫度，使高熱流密度器件的溫度保持在安全范圍之內(nèi)，使它在安全的溫度范圍內(nèi)運(yùn)作。21世紀(jì)以來，高熱流密度器件被廣泛應(yīng)用于我國多個方面，多個領(lǐng)域。而針對高熱流密度器件的散熱器也在不斷地研發(fā)和更新?lián)Q代中。

2? 高效散熱器

2.1 散熱器的主要組成部分

散熱器設(shè)備主要針對的是密閉結(jié)構(gòu)高熱流密度器件，它主要是由受熱組件、導(dǎo)熱組件和散熱組件共同組成，與熱源直接接觸的是受熱組件，而與受熱組件另一端相連的是導(dǎo)熱組件，導(dǎo)熱組件的另一端與散熱組件相連接。導(dǎo)熱組件主要采用熱管，其工作原理為受熱組件為主要接收熱源裝置，受熱組件將接收的熱量傳到散熱組件上，散熱組件又將熱量傳給介質(zhì)。[1]

2.2 散熱器的基板和熱管

在這些組件中，受熱組件的主要成分為基板，基板的形狀多種多樣，最常見的有球面、弧面和平面，有些為了滿足電子設(shè)備需要是不規(guī)則的。為了保持其受熱面積的最大化，一般采用基本形狀為平面。熱管為直式熱管，其形狀主要為管狀、柱狀和片狀。

2.3 散熱器的散熱片

散熱器是將銅管作為原材料使用的，因?yàn)殂~管的防腐蝕能力強(qiáng)，而且銅的導(dǎo)熱性比較好，其耐氧化和堿腐蝕的性能優(yōu)于其他用于散熱器的金屬材料。

散熱片的導(dǎo)熱性主要由接觸面、導(dǎo)熱材料和散熱片的固定方式來影響的。發(fā)熱件和散熱片之間應(yīng)保持大的接觸面，使接觸熱阻降低。并且接觸面的光潔度也要比較高。如果太過于粗糙，接觸熱阻相對較高，不利于散熱。為了提高光潔度，會在散熱片的中間涂抹導(dǎo)熱脂。

2.4 散熱器的填充物質(zhì)

傳統(tǒng)的散熱器中填充的是金屬液體，它可以在常溫下是液態(tài)，也可以像水一樣流動，但導(dǎo)熱能力和比熱容比傳統(tǒng)的水和水蒸汽等導(dǎo)熱介質(zhì)高得多而且液態(tài)金屬的粘度低、比熱性良好，而且熱導(dǎo)率很高，非常適用于熱處理劑和熱傳導(dǎo)劑。設(shè)備設(shè)有驅(qū)動泵，驅(qū)動泵位于液體金屬管道的上部，主要用來驅(qū)動液體金屬管道內(nèi)的液體金屬流動。驅(qū)動泵可以根據(jù)設(shè)備所需靈活控制液體。

2.5 散熱器的相關(guān)參數(shù)

圖中1為受熱面積較大的平面型基板，2為金屬液體流動管道，圖中的陰影部分為散熱片，8為主管道，9、12、14、15、13為液體流動控制開關(guān)，主要控制金屬液體的流動。

熱流密度是衡量一個散熱器設(shè)備的重要指標(biāo)，金屬熱強(qiáng)度主要指金屬散熱器內(nèi)的平均溫度和室內(nèi)空氣溫度相差1℃，每公斤質(zhì)量的金屬單位時間散發(fā)的熱量。在重量相同的情況下，金屬熱強(qiáng)度的值越大，設(shè)備發(fā)散同樣的熱量所耗費(fèi)的金屬越少，結(jié)構(gòu)相似的散熱器散熱量越大。[2]

2.6 高效散熱器的優(yōu)勢

散熱器采用整體鍛造的加工方式將液態(tài)金屬自循環(huán)冷板、吸熱裝置和液態(tài)金屬管道連成一體，盡可能地降低系統(tǒng)熱阻，導(dǎo)熱效果較為理想;其次，液態(tài)金屬與其他金屬不同的地方在于它不易蒸發(fā)也不容易泄露，安全無毒，容易回收，對大自然的污染非常小。散熱系統(tǒng)的使用壽命可以得到保障，運(yùn)行穩(wěn)定。而且這種散熱器的液態(tài)金屬自循環(huán)管飯系統(tǒng)主要在蓋板的外部，從而防止由于液體泄露滲透到設(shè)備內(nèi)部從而短路的情況發(fā)生。液態(tài)金屬散熱器與傳統(tǒng)水冷散熱器相比，熱量輸送和極限散熱能力更加強(qiáng)，因?yàn)橐簯B(tài)金屬的導(dǎo)熱率遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于水、空氣等非金金屬介質(zhì)的導(dǎo)熱率，所以熱量輸送效果更佳。本設(shè)備避免了傳統(tǒng)散熱器容易潮濕、容易產(chǎn)生霉菌的特點(diǎn)，因?yàn)樵O(shè)備中的冷風(fēng)裝置中的氣流只吹向翅片，而并不吹向設(shè)備內(nèi)部。所以防止因密閉設(shè)計(jì)與外面容易導(dǎo)致潮濕、霉菌的空氣相互隔絕。而且散熱器中的液態(tài)金屬進(jìn)入散熱器后，從中心向四周流動，最后到達(dá)頂部出口流出散熱器。[3]

本散熱器使用特殊裝置避開了散熱底板溫度不均勻的弊端。傳統(tǒng)的散熱器存在散熱底板溫度不均勻的情況。底板的平均溫度在一定程度上是體現(xiàn)散熱器散熱效率的重要依據(jù)。距離底板的中心越遠(yuǎn)，其位置的溫度越高，所以，邊角位置的溫度是散熱器底板溫度的最高值。在本設(shè)備中底板的邊角處加設(shè)了倒流片，其目的就在于使散熱器底板的溫度分布更加均勻，避免因底板溫度差異太大影響散熱器的使用壽命。而且同一熱流密度的情況下，冷卻金屬液體流量的增大，芯片溫度降低的幅度越來越小。

3? 具體使用方式

該散熱器的工作原理為液態(tài)金屬管飯形成一個回路，在液態(tài)金屬管飯上設(shè)有專門用于吸收密閉空間中的發(fā)熱器件散發(fā)熱量的吸熱裝置。本設(shè)計(jì)充分利用液態(tài)金屬的高導(dǎo)熱性能和流動性，運(yùn)用特殊驅(qū)動泵驅(qū)動驅(qū)動管道內(nèi)的金屬液體流動，從而形成一個循環(huán)式的熱量傳輸系統(tǒng)。每當(dāng)液態(tài)金屬的熱量被吸熱裝置吸收后，散熱翅片和處于散熱翅片下方的散熱板一起對金屬液體散熱。并且在散熱翅片和散熱板的共同一側(cè)專門設(shè)置了強(qiáng)迫冷風(fēng)裝置，主要用于對散熱翅片和散熱板的降溫和散熱，降溫后的液態(tài)金屬再重新流回吸熱裝置，接連不斷地將熱量帶走，從而進(jìn)一步加強(qiáng)對液態(tài)金屬的散熱效果，達(dá)到降低密閉結(jié)構(gòu)高熱流密度器件的溫度的效果。（圖2）

圖2中1-3為散熱組件，5-9為受熱組件，4、10和11為導(dǎo)熱組件，散熱器中的液體可以從6-9所在位置通過管道運(yùn)行到1-3所在位置，通過相關(guān)裝置將熱風(fēng)散出去。

散熱器的使用效果與安裝工藝有很大關(guān)系，散熱器安裝時應(yīng)當(dāng)盡量增加主設(shè)備與散熱器之間的接觸面積，從而降低接觸熱阻，提高熱量傳送的效率。散熱器在停止工作后如果自然冷卻，應(yīng)該使散熱器的表面與水平面的方向平行。

高熱流密度器件散熱冷卻方式主要可以分為兩種，分別為被動式冷卻和主動式冷卻。被動式冷卻指冷源溫度比環(huán)境溫度高的電氣元件散熱方式，被動式冷卻又可以根據(jù)冷卻介質(zhì)的不同可分為液體冷卻和空氣冷卻。被動液態(tài)冷卻是將其內(nèi)能直接轉(zhuǎn)化成熱能。隨后將熱能分散到各個結(jié)構(gòu)，從而使內(nèi)部與外部的熱量不相上下，從而避免受熱不均情況的發(fā)生，也不會影響高熱流密度器件的使用年限。主動式冷卻即冷源溫度比環(huán)境溫度低的一種散熱方式。其主要工作原理是將芯片的溫度降到和環(huán)境溫度相差無幾的狀態(tài)下，提高器件的使用性能。主動性冷卻的優(yōu)勢在于芯片溫度比較低，其缺點(diǎn)在于消耗的能量高于被動式冷卻。設(shè)備中的冷卻系統(tǒng)屬于主動式冷卻;設(shè)備會帶有溫度計(jì)，這個溫度計(jì)可以展現(xiàn)其內(nèi)部溫度，這樣做有利于密切關(guān)注熱工元件的運(yùn)行狀態(tài)。如果其運(yùn)行不正常，表現(xiàn)為溫度太高或者太低，就要停止運(yùn)行，并及時找出電子元件的問題，采取相應(yīng)措施解決問題，從而保障電子元件的運(yùn)行狀態(tài)是良好的。

對于這款散熱器的接管方式來說，在相同一側(cè)保持上進(jìn)下出，在不同的兩側(cè)，一般從上部進(jìn)去下部出去，底部進(jìn)去底部出去這三種接法。在相同一側(cè)從下面進(jìn)上年出，則會使散熱量降低。本設(shè)備的接管方式主要為從不同的兩側(cè)，從上部進(jìn)去下部出去，保持熱量發(fā)散的最大化。在一般范圍內(nèi)，風(fēng)速越大，發(fā)熱流量越大，溫度降低的速度越快;但超過一定峰值，發(fā)熱流量反而會隨著風(fēng)速的提高而減弱。所以，發(fā)熱流量的大小主要由適宜的風(fēng)速決定，熱流量越大，適宜的風(fēng)速越大。本設(shè)備的風(fēng)速是可以根據(jù)高密度器件所需的熱流量進(jìn)行調(diào)節(jié)，靈活滿足器件所需。

4? 結(jié)語

總而言之，本設(shè)備的功能和性能優(yōu)于傳統(tǒng)的散熱器，最大程度避免了傳統(tǒng)散熱器的弊端，為密閉結(jié)構(gòu)高熱流密度電子器件的散熱提供一些思路。

參考文獻(xiàn)：

[1]陳薩如拉.高熱流密度器件散熱技術(shù)的研究進(jìn)展[J].流體機(jī)械，2015，43（5）.

[2]楊雪，呂坤鵬.高熱流密度熱沉散熱能力數(shù)值仿真分析[J].激光與紅外，2018，48（1）.

[3]彭柯源，楊威.非均勻高熱流密度對熱電器件熱應(yīng)力的影響分析[J].能源與環(huán)境（能源技術(shù)），2015（4）.