热管组件冷却性能实验研究李金旺

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1、传热传质学编号：143267中国工程热物理学会学术会议论文热管组件冷却性能实验研究李金旺，钱吉裕，战栋栋(南京电子技术研究所，江苏南京210039)(TEL:025-51824214,E-mail:iinwangli@163.com)摘要：木文设计了一种热管组件并通过实验对比了热管组件和普通组件在不同热流密度下的冷却性能。结呆表明：热管组件在高热流密度热源下方的壳体处嵌入了热管，提高了组件壳体的传热性能，当热流密度分别为16.7W/cn?、29.6W/cm?和46.3W/cm2时，用热管组件取代普通组件分别能

2、够使热源平均温度降低8.2°C、19.6°C和32.4°C,同一组件上不同热源的温度差异分别减小4.1°C、9.6°C和14.6°C。随着热流密度的增人，热管组件较普通组件的优势就越明显。关键词：冷却；组件；热管0引言热管是传热领域在上个世纪的最重要的发明Z-O热管利用相变潜热进行传递热量，热管的当量导热系数较常见金属的导热系数大得多，其在电子设备冷却等方血具有很大的应用前景，引起了国内外大量学者的关注和研究山先将热管应用在空间电子设备冷却中，有望取得很好的效果，前人在此方面也进行了一定的研究，但多数以仿真分

3、析为主，实验研究并不多“叫冷板是电子设备冷却中常用的一种热交换器，将热管集成在冷板内部，可提高冷板的导热性能，尤其能提高冷板的均温性，对此，杨双根，马哲树等人对热管冷板进行了研究，结果表明热管冷板具有比较好的性能，能够满足一定热流密度的散热场合f9-H1o曲伟等人〔⑵对热管和热扩展板的耦合性能进行了研究，结果表明热管对扩热板传热性能的影响比较大，当热管的当量导热系数超过3000W/m・K时，基板材料对扩热板的传热性能几乎没有影响，因此，采用热管后可以放宽对基板材料的选择。热管除了具有上述传热性能好的优点外，其

4、密度也比常见的金属的密度小得多，因特别适合在对重量的要求很严格的航夭器的热控当中使用，例如成功应用于著名的国际空间站阿尔法磁谱仪的热控当川，取得了良好的效果，相关方面的技术也引起了广泛的关注和研究〔⑶。将热管应用于电子设备的冷却当中，最直接的方法就是将其嵌入到用于冷却的冷板当中，或是直接嵌入到产生热量的电子设备组件的外壳当中，本文对热管组件和普通组件在不同热流密度情况下的冷却性能进行了对比研究，为热管在空间电子设备冷却屮的应用以及未来高热流密度组件冷却的进一步研究和发展提供参考。1实验方法与条件本研究设计和加

5、工了两种外形尺寸相同、材料均为铝合金的组件，一种是普通的组件，一种是在组件壳体上热源正下方处嵌入热管的热管组件，热管在热管组件上的布局如图1所示。组件壳体的尺寸为60mmX33mmX3.5mm,热管为扁平铜水热管，外形呈U形、截面尺寸4mmX2.5mm,热管的等效导热系数约为1850W/m•K。试验系统如图2所示，热源使用加热电阻产生，电阻焊接在组件上，组件通过压接与冷板相连接，冷板的进出口分别与末端冷却机组的供、冋液管路相连。所有工况供液温度均为27°C,供液流量均为40L/h,冷却介质均为65%乙二醇水溶

6、液。本试验的温度采用NECH2640型红外热像仪进行测试。单个电阻的阻值为100Q,截面面积为0.54cm2,通过改变加在电阻上的电压值，从而获得不同热流密度的工况，各工况的参数如表1所示。图2试验系统示意图表1各试验工况对应参数工况一工况二工况三电压(V)304050热耗(W)91625热流密度(W/cn?)16.729.646.32结果与讨论2.1工况一：热流密度为16.7W/cm2在相同的冷板、相同的冷却液参数和相同的热流密度(16.7W/CH?)条件下，对普通组件和热管组件的冷却效果进行了研究，试验结

7、果如图3所示。图中左边为热管组件的试验结果，右边为普通组件的试验结果，从结果可以看出，左边四个热源的平均温度为36.3°C、温度差异为0.3°C,右边四个热源的平均温度为44.5°C.温度差异为4.4°C,可见，在此种工况条件下，采用热管组件替代普通组件的改善效果为&2°C、温度差异缩小了4.1041.438.4264234图3不同组件的比较(工况一)2.2工况二：热流密度为29.6W/cm2在相同的冷板、相同的冷却液参数和相同的热流密度(29.6W/cn?)条件下，对普通组件和热管组件的冷却效果进行了研究，

8、试验结果如图4所示。图中左边为热管组件的试验结果，右边为普通组件的试验结果，从结果可以看出，左边四个热源的平均温度为47.5°C、温度差异为0.9°C,右边四个热源的平均温度为67.TC、温度差异为10.5°C,可见，在此种工况条件下，采用热管组件替代普通组件的改善效果为19.6°C、温度差异缩小了9.6°C。图4不同组件的比较(工况二)2.3工况三：热流密度为46.3W/cm2在相同的冷板、相同的