均熱板散熱器的傳熱特性實驗研究

楊明冬，宋蓓莉，全本慶，馬衛東,姜展翔

(武漢光迅科技股份有限公司，湖北 武漢 430205)

0 引言

隨著移動互聯網的迅速崛起以及智能終端的快速普及，數據通信呈現爆炸式增長，全球正快步邁向“大數據”時代。為了滿足用戶不斷增長的功能、服務和性能等方面的要求，光通信設備的功率密度越來越高，研究表明光傳輸核心芯片表面的熱流密度已經超過100 W/cm2，器件的工作溫度已經十分逼近臨界溫度[1]。如此高的熱量如果不能及時散出，將引起光傳輸芯片表面局部溫度過高而產生“熱點”，可能導致電路或光路出現誤碼、丟包等問題，從而影響數據交換機運行的穩定。

均熱板散熱器(Vapor Chamber)由于其具有較高的熱導率、良好的均溫特性，成為解決高熱流密度電子器件散熱問題很有前途的技術之一[2-4]。當前，針對均熱板散熱器傳熱性能的研究已經有許多成果發表?？得骺萚5]基于國產處理器主板，開展了均熱板散熱盒、熱管散熱盒和鋁合金散熱盒在不同工況下的散熱性能試驗對比研究。葉祥平等[6]通過 Flotherm模擬軟件對平板熱管與常規銅、鋁散熱基板進行對比模擬分析，發現平板熱管能有效降低大功率 LED的結溫和熱阻。曹紅[7]為解決某毫米波功率放大器芯片的散熱問題,對功放腔體采用一體化均熱板的結構形式，通過熱仿真和熱測試的驗證,證實一體化均熱板可有效降低功放芯片的工作溫度。此外，均熱板散熱器吸熱芯結構、工藝參數對傳熱性能的影響等相關研究均被展開[8-10]。

本文設計了3款不同類型的均熱板散熱器，針對均熱板散熱器在通信設備中的實際應用場景，對均熱板散熱器傳熱效果進行了實驗對比研究，研究了不同風速及放置方向(重力因素)對這3種均熱板散熱的傳熱性能影響，從而為均熱板散熱器的設計與使用提供依據。

1 實驗原理及方法

1.1 均熱板散熱器結構

本文設計了3種均熱板散熱器，散熱器外形尺寸相同，均為152 mm×101 mm×12.7 mm，散熱器基座厚3 mm，3種不同的散熱器結構方案如圖1所示。方案A為帶有均熱板的鋁擠壓型材散熱器，均熱板采用空心粉末燒結的結構，嵌入在散熱器鋁基板中央，均熱板寬度為40 mm；方案B為拉鏈式翅片散熱器，基板為金屬絲網吸熱芯結構的均熱板，翅片材質為鋁合金；方案C為拉鏈式翅片散熱器，基板為復合芯均熱板，其中均熱板加熱端采用粉末燒結吸熱芯，冷凝端采用絲網結構的復合芯結構的蒸汽腔，翅片材質為鋁合金。

圖1 散熱器結構方案

3種均熱板散熱器的結構參數如表1所示。

表1 散熱器結構參數

1.2 實驗裝置及實驗方案

實驗裝置由直流電源、電阻加熱器、散熱器、風機、風道和數據采集系統等部分組成，如圖2所示。實驗在強制對流的條件下進行，通過風速計測量風道內的風速，通過放置在散熱器上風口和下風口處的熱電偶測量空氣進入散熱器前后的溫度。

圖2 實驗裝置示意

為了研究風速及放置方向對3種散熱器傳熱特性的影響，設計了3種實驗方案，如圖3所示。圖3a為實驗方案A，散熱器水平放置在風道中，氣流方向與重力方向垂直；圖3b為實驗方案B，散熱器側向放置于風道，氣流方向與重力方向垂直；圖3c為實驗方案C,散熱器垂直放置在風道中，氣流方向與重力方向相反。

圖3 實驗方案

實驗在室溫環境下進行，通過熱電偶溫度傳感器記錄測試點溫度，熱電偶的位置和編號如圖4所示。其中測試點7為模擬熱源的溫度，模擬熱源熱功耗為60 W。

圖4 散熱器熱電偶分布

本文通過以下參數對比3款散熱器的散熱性能：散熱器總熱阻θsa；散熱器基板溫度梯度ΔTbase；散熱器壓降Δps。

(1)

ΔTbase=Tb,max-Tb,min

(2)

Δps=pin-pout

(3)

Q為加載的熱功耗；Tb,max為散熱器基板最大溫度；Tb,min為散熱器基板最小溫度；Ta為散熱器上風口的環境溫度；pin為散熱器進風口處的空氣壓強；pout為散熱器出風口處的空氣壓強。

2 實驗結果及分析

圖5是采用實驗方案A(散熱器水平放置)并根據式(1)計算所得的3種均熱板散熱器熱阻與風速的關系。由圖5可知，散熱器C在不同風速條件下，具有最小的散熱器熱阻，優于另外2種均熱板散熱。

圖5 散熱器熱阻與風速關系

圖6是通過實驗測試并根據式(3)計算所得3種均溫板散熱器壓降Δps與風速的關系。由圖6可知，在不同的風速條件下，3款散熱器中散熱器A的壓降最大，而散熱器B和散熱器C的壓降相同。這主要是因為：散熱器A的散熱翅片厚度較厚，翅片間距較大，具有較大的風阻；散熱器B和散熱器C雖然散熱器基板不同，但是具有相同的翅片厚度和翅片間距，所以散熱器B和散熱器C的壓降相同，風阻相同。

圖6 散熱器壓降與風速的關系

圖7是3款散熱器分別采用實驗方案A、方案B和方案C并根據式(2)計算所得的散熱器基板溫度梯度與風速的關系。由圖7可知，相對于散熱器B和散熱器C，散熱器A在3種實驗條件下具有更均勻的基板溫度梯度分布，說明不同放置方向對散熱器A的散熱性能影響較小。散熱器B在3種實驗條件下，均熱板的溫度梯度最大，不同的放置方向對散熱器B的散熱性能影響較大，說明在相同的翅片結構(翅片高度、翅片厚度、翅片數)條件下，放置方向對復合芯的均熱板散熱器，相對于絲網吸熱芯結構的均熱板的影響更小。結合圖5進一步說明，為了使散熱器散熱性能達到最大化，需要使散熱器基板均有較好的均溫效果。

圖7 散熱器基板溫度梯度與放置方向、風速關系

3種散熱器在實驗條件B和實驗條件C下均熱板具有較大的溫度梯度，說明放置方向對不同的散熱器具有較大的影響，所以在進行散熱器設計選型時，需要考慮散熱器在實際應用中的放置方向，尤其需要考慮重力條件對散熱器的散熱性能影響。

3 結束語

本文開展了不同類型的均熱板散熱器散熱性能對比試驗研究。測試結果顯示，風速及散熱器放置方向對均熱板散熱器的散熱性能有較大的影響，尤其是散熱器的放置方向，所以在均熱板散熱器設計選型之前需要了解散熱器的應用場景，尤其是散熱器的放置方向。