一种新型相变散热器设计

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1、一种新型相变散热器设计李如忠中国工程物理研究院电子工程研究所四川省绵阳市919信箱515分箱621999摘要在分析了相变散热器中强化传热措施的基础上，根据设计要求，设计了一种新型内嵌螺旋形翅片的相变散热器，通过加热试验证明了所设计的新型相变散热器满足设计要求，螺旋形翅片能明显改善相变散热器的内部温度均匀性和整体传热性能。关键词　相变散热器　螺旋形翅片　强化传热DesignofanewtypePhase-changeradiatorInstituteofElectronicEngineering,ChinaAcademyofEngineeri

2、ngPhysicsP.O.Box919-515,Mianyang,Sichuan621900,CHINAAbstractThethermalconductivityenhancementmeasuresforPhase-changeradiatorisanalyzed.AnewtypePhase-changeradiatorembeddedinspiralfinsisdesigned.Theheatexperimentoftheradiatorisdone.Experimentalresultsindicatethatthenewtypep

3、hase-changeradiatormeettherequirementofPCBandthespiralfinscanobviouslyimprovethethermalconductivityandperformanceoftheradiator.KeywordsPhase-changeradiator,spiralfins,thermalconductivityenhancement引言随着现代武器电子学的发展，出现了一系列具有超高热流密度、短时和间歇性工作的大功率组件，如战略武器的控制系统、引信等，这类系统工作时间短、体积小、重量

4、轻、工作环境恶劣，而热流密度却很高，周围环境又接近真空，无法进行空气对流散热，如果不能有效解决散热问题，则会大大降低系统可靠性。固-液相变散热器具有良好的恒温性以及较大的相变潜热，能有效解决短时、周期性工作的大功率电子器件的散热问题，在国内外航空航天领域得到越来越广泛应用。相变散热器是利用材料从固态转换为液态时需要吸收大量热量的原理，使在常温下为固态的材料，例如石蜡，经过吸收发热的电子设备的热量而发生相变，并且在此过程中相变材料的温度基本保持不变，从而起到给电子设备散热的目的，并且具有较好的恒温性。本文利用相变散热器的原理，根据要求设计了一

5、种新型相变散热器，并对散热器进行了加热试验，结果表明设计的散热器能很好的满足系统的散热要求。1相变散热器的设计要求1.1相变散热器的工作环境5需要设计的相变散热器是为了给一个电路板上的三个高功率芯片进行散热，如图1所示，每个芯片的发热量为15W。散热器工作在接近真空环境中，与环境的空气对流散热可以忽略不计，环境温度为55℃。图1电路板示意图1.2相变散热器的设计要求相变散热器设计为直径为130mm的圆盘形，质量不超过300g，尽量小，能保证电路板工作15分钟，芯片外表面温度不超过80℃。2相变散热器的强化传热措施分析常用的相变材料普遍具有导

6、热率较低的缺点，难以满足电子设备的高热流密度要求。例如常用的石蜡导热系数为0.1～0.4W/(m·K)，而铝合金的导热系数为107W(m·K)，铜的导热系数更高。为了改善相变散热器的导热性能，使相变材料能相对均匀的发生相变，通常在其中添加金属翅片、金属网格、金属粉末和石墨粉末等填充材料。在相变材料中添加金属粉末或石墨粉末可以强化相变材料内部的传热性能，但对于相变材料与外部封装之间的接触热阻改善不大，对于电路板散热的工程实用性较小。添加金属网格可以改善相变材料与外部封装之间的接触热阻，并且可以强化相变材料内部传热性能，但对于本次设计的用于电路

7、板散热的小型散热器工艺实现难度较大。所以，本次设计的小型相变散热器采用添加金属翅片的形式强化相变材料的传热性能。文献[1]中讨论了相变材料中串联和并联两种翅片填充的传热模型，并对两种模型的传热性能进行了分析，分析结果表明当热量传递方向与翅片相垂直即翅片与相变材料构成串联布置时，翅片之间的相变材料层构成了主要的热阻，有效导热系数受到极大限制，基本和相变材料的导热系数相当；当热量传递方向与翅片方向一致即翅片与相变材料构成并联布置时，传热能力得到很大的提高；在相变散热器中，填充翅片能有效提高沿翅片方向的导热能力，但热量横向扩散能力很差，在相变材料

8、吸收热量的过程中相变材料熔化速度得不到有效改善，不利于相变储热散热器整体传热性能的提高。3相变散热器的翅片设计3.1翅片形状设计5根据以上分析，结合相变散热器的工况和加工工艺性，