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多热源微槽道热管散热组件的设计与研究

钱文瑛  
【摘要】:随着电子器件向着高性能、集成化、微型化的方向发展,有限空间内离散分布的高热流密度电子元件的散热问题日益凸显。热管作为一种利用相变传热的高效被动型热控元件,在散热系统中具有良好的应用前景。针对目前航空航天等领域亟待解决的多热源电子器件散热问题,本文提出了一种散热组件设计思路,结合实际工况研究分析了其对平面离散热源的散热效果及影响因素,对热源相对位置及功率大小等主要影响因素开展了初步的实验研究,为工程应用中发热元件的合理布置和散热组件的优化设计提供参考。本文基于轻质化、低热阻和高可靠性的设计要求,提出了一种由微槽道热管和散热基板构成的散热组件设计思路,可适应扁平化的有限散热空间以及热源和冷源位于不同平面的工况。实际应用工况下的数值模拟结果表明,散热组件中热管的布置方式和传热性能对热控效果有较大影响,蒸发段覆盖热源情况更好的布置方案可使热源最高温度相对降低约2.0℃;对基板结构优化后可在轻质化要求下将热源区域最高温度控制在70℃以内,但优化区域附近高热流密度热源温升相对明显。基于热管的流动传热理论与分析,对所设计的扁平结构铝-丙酮微槽道热管进行了初步理论计算,其在65℃工作温度下传热极限约为42.7W,热阻约为0.30K/W,满足散热组件中对传热性能的要求。经测试,该热管能够满足高温贮存要求和漏率要求,可适用于航空航天等对热控元件可靠性要求严格的领域。采用热电偶表面测温法对4种热源区域布置方式下的不同功率工况进行了热管元件传热性能实验研究。以P_1=10W、P_2=20W工况为例,热源区域中心间距由40mm增大至120mm时,总热阻降低56.4%,且相较于P_1=20W、P_2=10W工况总热阻最高可降低39.0%。因此,将功率更大的热源布置在更靠近冷凝段的位置或适当增大热源中心间距,可显著降低热管表面测点最高温度和提高均温性。同时,冷凝段的顺重力弯折和合适的工作温度也可一定程度上提高热管传热性能。在电子器件的布置与散热组件的设计中,需综合考虑热管与发热元件的相对位置和整体结构对热控效果的影响。


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