【摘要】為了研究熱管冷板在機載條件下的傳熱性能與環(huán)境適應(yīng)性，針對不同類型及同類型不同配置方式的9種熱管冷板，搭建了常溫與高低溫試驗臺，對不同熱管冷板的常溫傳熱性能與高低溫啟動性能及穩(wěn)態(tài)性能進(jìn)行試驗研究。結(jié)果表明：常溫試驗中，雙U形普通銅水熱管冷板的傳熱性能最佳，均溫板次之；高低溫試驗中，雙U形普通銅水熱管冷板的啟動時間與穩(wěn)態(tài)溫度均低于微熱管陣列冷板，但受環(huán)境溫度影響最大，帶毛細(xì)結(jié)構(gòu)微熱管陣列冷板的啟動時間與穩(wěn)態(tài)溫度均低于不帶毛細(xì)結(jié)構(gòu)微熱管陣列冷板，且受環(huán)境溫度影響最小。研究結(jié)論可為機載電子設(shè)備冷卻熱管冷板的選擇與設(shè)計提供依據(jù)。

隨著航空工業(yè)與電子集成技術(shù)的快速發(fā)展，機載電子設(shè)備呈現(xiàn)多功能、高密度封裝、高速工作等特點，由此帶來電子元件的發(fā)熱量不斷提高，體積要求不斷減小。高熱流密度元件的散熱問題已經(jīng)成為影響電子設(shè)備設(shè)計的關(guān)鍵技術(shù)問題之一，也是機載設(shè)備在特定環(huán)境條件下能夠可靠、穩(wěn)定工作的保證。在四代戰(zhàn)機中，高密度航空電子設(shè)備大量使用商業(yè)現(xiàn)貨(commercial off-the-shelf，COTS)器件，為滿足其高可靠性要求采用可靠性高的液冷技術(shù)，但仍無法避免泄漏、堵塞等立即引起系統(tǒng)過熱導(dǎo)致熱沉失效的情況。在一些現(xiàn)場可更換模塊(line replaceable module，LRM)模塊化液冷機箱中，可能出現(xiàn)機架冷板表面溫度與模塊溫度相差超過30℃～40℃的現(xiàn)象，說明即使有很好的熱沉，若模塊內(nèi)擴(kuò)散熱阻解決不好，系統(tǒng)整體的散熱仍存在問題。

考慮到機載條件的復(fù)雜多變性，熱管技術(shù)極高的導(dǎo)熱性、優(yōu)良的等溫性、熱流密度可變性、流動方向可逆性、恒溫性、良好的環(huán)境適應(yīng)性等優(yōu)點，采用熱管作為液冷機架冷板與器件間的熱通路成為有效的辦法。熱管技術(shù)的研究已經(jīng)開展較多，但多集中于風(fēng)速、充液率、傾角等對熱管或熱管冷板性能的影響，未系統(tǒng)地開展不同熱管冷板在機載條件下性能差異的研究。

本文設(shè)計了不同類型及同類型不同配置方式的熱管冷板，進(jìn)行常溫與高低溫條件下的試驗研究，以考察不同熱管冷板在常溫及高低溫機載條件下的傳熱、環(huán)境適應(yīng)性等方面的性能差異，以期為機載電子設(shè)備冷卻方案提供一定的參考。

1 熱管冷板結(jié)構(gòu)

目前，用于電子設(shè)備冷卻的熱管冷板類型主要為普通熱管冷板、微熱管陣列冷板和均溫板。普通熱管冷板為普通銅水熱管嵌入冷板中，結(jié)構(gòu)材料主要為無氧銅，填充工作介質(zhì)為水；微熱管陣列冷板是外形為薄板、內(nèi)部并列多根獨立運行的微細(xì)熱管陣列，結(jié)構(gòu)材料為純鋁，內(nèi)部填充相對工作溫度較低的有機溶劑氨水；均溫板為內(nèi)壁具有微結(jié)構(gòu)的真空腔體，主要材料為鋁6061和氨水。

為了對比分析不同類型及同類型不同配置方式的熱管冷板性能，針對上述3類熱管冷板設(shè)計了9種配置方式進(jìn)行試驗。9種冷板的幾何尺寸均為120 mm?95 mm?4 mm，結(jié)構(gòu)如圖1所示，其中圖1a～圖1d為普通銅水熱管冷板的不同嵌入形式，分別為一字排列、十字排列、米字排列和雙U形排列；圖1e～圖1h為微熱管陣列冷板的不同嵌入形式，區(qū)別在于微熱管陣列的寬度不同與熱管是否帶毛細(xì)結(jié)構(gòu)；圖1i為均溫板。此外，試驗還將測量4 mm厚的鋁板在相同條件下的傳熱情況，以其溫度作為參考基準(zhǔn)。

a.一字排列普通銅水熱管冷板

b.十字排列普通銅水熱管冷板

c.米字排列普通銅水熱管冷板

d.雙U形排列普通銅水熱管冷板

e.16 mm寬帶毛細(xì)結(jié)構(gòu)微熱管陣列冷板

f.26 mm寬帶毛細(xì)結(jié)構(gòu)微熱管陣列冷板

g.26 mm寬不帶毛細(xì)結(jié)構(gòu)微熱管陣列冷板

h.30 mm寬帶毛細(xì)結(jié)構(gòu)微熱管陣列冷板

i.均溫板

圖1 熱管冷板結(jié)構(gòu)示意圖

2 試驗方案及裝置

2.1 常溫試驗

常溫試驗旨在通過測量熱管冷板上的發(fā)熱電阻熱點溫度與特征點溫度來衡量其基本傳熱性能，熱阻大、最大傳熱量小其性能就差，熱點溫度和特征點溫度相對就高。

常溫試驗裝置由熱管冷板、模擬熱源器件(發(fā)熱電阻)、紅外熱像儀、數(shù)據(jù)采集儀、熱電偶、鉑電阻、液冷源等組成，其方案原理如圖2所示。液冷源由YKK2冷卻循環(huán)機提供，設(shè)定溫度為20℃，冷卻液為65號冷卻液；電子模塊發(fā)熱由位于冷板表面中心的發(fā)熱電阻(25微帶電阻)模擬；采用鉑電阻Pt100及紅外熱像儀測量各熱管冷板的溫度，考慮到兩線制測量方式的誤差偏高達(dá)3℃以上，測量時均采用四線制以消除熱電阻測量中導(dǎo)線的測量誤差。鉑電阻Pt100用銀漿粘結(jié)在冷板上，銀漿干后使用硅橡膠對各器件及引線進(jìn)行加固，布置位置如圖3所示。其中， Pt100-3用于試驗前校準(zhǔn)紅外熱像儀的發(fā)射率。

圖2 常溫試驗方案原理

圖3 溫度測點布置

2.2 高低溫試驗

高低溫試驗的主要目的是測試低溫與高溫條件下熱管冷板的啟動性能與穩(wěn)態(tài)性能，以考察熱管冷凝(即完全凍結(jié))與高溫條件下的啟動時間、穩(wěn)態(tài)溫度與常溫條件下的差別，是衡量熱管冷板能否用于某些高熱流密度器件，且不出現(xiàn)瞬間熱點溫度過熱現(xiàn)象的關(guān)鍵。

高低溫試驗裝置的主體部分與常溫實驗裝置相同，不同之處是將主體部分置于溫度試驗箱中，且不需要液冷源，其試驗原理如圖4所示。當(dāng)溫度試驗箱內(nèi)穩(wěn)定到低溫、常溫或高溫時，打開電源，通過數(shù)據(jù)采集儀測量熱點溫度隨時間變化的數(shù)據(jù)，以比較不同環(huán)境條件下熱管冷板的性能差異。由于需要保證熱管的工作溫度為所設(shè)定的溫度，在外部水冷條件下，冷板溫度基本不與環(huán)境溫度相關(guān)，因此，對試驗機架采取自然對流熱傳導(dǎo)方式進(jìn)行試驗，而不需要液冷源供循環(huán)冷卻液。

圖4 高低溫試驗方案原理

3 試驗結(jié)果及分析

3.1 常溫試驗結(jié)果及分析

常溫試驗的環(huán)境溫度為23℃，加熱功率為35 W。在該條件下，不同熱管冷板安裝發(fā)熱電阻側(cè)的熱點、特征點Pt100-1和Pt100-2的溫度測量結(jié)果，以及背面未安裝發(fā)熱電阻側(cè)紅外熱像儀測得的最高溫度如表1所示。

分析表1試驗數(shù)據(jù)可知，常溫試驗研究的10種熱管冷板中，同等條件下雙U形普通銅水熱管冷板的熱點溫度62.13℃最低，因此傳熱性能最好。其次是均溫板，其他形式熱管冷板的傳熱性能較差，甚至不如鋁板。分析其原因在于熱管的傳熱性能與其長度、折彎半徑、折彎角度、傾斜角度、打扁量等因素有關(guān)，且不同因素對熱管性能的影響規(guī)律不同。根據(jù)熱管性能檢測試驗可知，對于上述熱管冷板，熱管長度是影響其傳熱性能最主要的因素，長度越長熱管的熱超導(dǎo)特性越明顯，傳熱性能越好；若長度減短，則需提高充液量才能保證其與原熱管的啟動溫度和最大傳熱量相同。

表1 常溫性能測試結(jié)果

注：熱管冷板嵌有熱管的一面為正面，普通銅水熱管冷板的發(fā)熱電阻均安裝于正面，微熱管陣列冷板對發(fā)熱電阻正面安裝與背面安裝進(jìn)行對比。

雙U形普通銅水熱管冷板因熱管長度最長而傳熱性能最好，其他形式熱管冷板的熱管長度較短而導(dǎo)致傳熱性能低于鋁板。在LRM模塊中使用嵌入熱管時，應(yīng)適當(dāng)增加熱管長度來提高傳熱能力，熱管長度應(yīng)不低于100 mm。此外，對于微熱管陣列冷板，帶毛細(xì)結(jié)構(gòu)微熱管陣列冷板傳熱性能優(yōu)于不帶毛細(xì)結(jié)構(gòu)微熱管陣列冷板，且微熱管陣列寬度越大傳熱性能越好，這是由于毛細(xì)結(jié)構(gòu)增大了熱管陣列冷板的傳熱面積。

3.2 高低溫試驗結(jié)果及分析

為了研究熱管冷板在機載高低溫條件下的性能差異，選擇常溫性能最佳的雙U形普通銅水熱管冷板與性能較好且重量較輕的26 mm寬帶毛細(xì)結(jié)構(gòu)微熱管陣列冷板，進(jìn)行高低溫性能試驗，同時為考察有無毛細(xì)結(jié)構(gòu)對微熱管陣列冷板性能的影響，選擇26 mm寬不帶毛細(xì)結(jié)構(gòu)微熱管陣列冷板進(jìn)行對比。高溫、常溫、低溫分別設(shè)置為+70℃、+25℃與?55℃， 3種熱管在不同溫度下的啟動性能與穩(wěn)態(tài)性能如圖5～圖7所示。

圖5 3種熱管冷板低溫性能對比

圖6 3種熱管冷板常溫性能對比

圖7 3種熱管冷板高溫性能對比

由圖5～圖7可知，低溫、常溫與高溫條件下，雙U形普通銅水熱管冷板的啟動時間均短于其他兩種微熱管陣列冷板的啟動時間，且穩(wěn)定后的工作溫度比26 mm寬帶毛細(xì)結(jié)構(gòu)微熱管陣列冷板的分別低約5℃、8℃與10℃。比較26 mm寬帶毛細(xì)結(jié)構(gòu)與不帶毛細(xì)結(jié)構(gòu)的微熱管陣列冷板，在不同溫度下的啟動性能可知，帶毛細(xì)結(jié)構(gòu)微熱管陣列冷板的啟動時間比不帶毛細(xì)結(jié)構(gòu)微熱管陣列冷板短，且穩(wěn)定后的工作溫度在低溫條件下比不帶毛細(xì)結(jié)構(gòu)微熱管陣列冷板低15℃左右，在常溫與高溫條件下低20℃左右。由此可知，在高低溫機載條件下，雙U形普通銅水熱管冷板的啟動性能與穩(wěn)態(tài)性能比微熱管陣列冷板的好，帶毛細(xì)結(jié)構(gòu)微熱管陣列冷板的啟動性能與穩(wěn)態(tài)性能優(yōu)于不帶毛細(xì)結(jié)構(gòu)微熱管陣列冷板。

圖8 雙U形普通銅水熱管冷板高低溫啟動性能對比

圖9 26 mm寬帶毛細(xì)結(jié)構(gòu)微熱管陣列 冷板高低溫啟動性能對比

圖10 26 mm寬不帶毛細(xì)結(jié)構(gòu)微熱管陣列 冷板高低溫啟動性能對比

為了更清楚地表明不同環(huán)境條件下同類型熱管冷板啟動性能的差異，對數(shù)據(jù)采集儀采集的隨時間變化的溫度進(jìn)行歸一化處理，即T/Tmax(變化過程中的溫度值/穩(wěn)定的最高溫度值)，3種熱管冷板試驗過程中熱點溫度歸一化處理后如圖8～圖10所示。

由圖8～圖10可知，雙U形普通銅水熱管冷板在低溫下，啟動速度明顯低于常溫與高溫下的啟動速度，常溫和高溫狀態(tài)的啟動速度相差無幾；26 mm寬帶毛細(xì)結(jié)構(gòu)微熱管陣列冷板在低溫、常溫與高溫下，啟動速度均差別不大；26 mm寬不帶毛細(xì)結(jié)構(gòu)微熱管陣列冷板在低溫下，啟動速度低于常溫與高溫下的啟動速度，且存在幾處溫度波動，常溫與高溫下的啟動速度相差不大。綜合分析可知，雙U形普通銅水熱管冷板受環(huán)境溫度的影響大于微熱管陣列冷板，帶毛細(xì)結(jié)構(gòu)微熱管陣列冷板受環(huán)境溫度的影響最小，3種熱管冷板在常溫與高溫下的啟動性能相差不大。

4 結(jié) 論

本文對不同類型及同類型不同配置方式的熱管冷板進(jìn)行了常溫與高低溫試驗研究，以考察不同熱管冷板在常溫與高低溫狀態(tài)下的性能差異與環(huán)境適應(yīng)性，試驗得出以下結(jié)論：

1)常溫條件下，雙U形普通銅水熱管冷板的傳熱性能最佳，其次是均溫板，其他形式熱管冷板的傳熱性能較差甚至不如鋁板，性能差異產(chǎn)生的主要原因在于熱管長度的不同，在LRM模塊中使用嵌入熱管時，熱管的長度應(yīng)不低于100 mm。

2)帶毛細(xì)結(jié)構(gòu)微熱管陣列冷板傳熱性能優(yōu)于不帶毛細(xì)結(jié)構(gòu)微熱管陣列冷板，且微熱管陣列寬度越大傳熱性能越好。

3)高低溫條件下，雙U形普通銅水熱管冷板的啟動時間與穩(wěn)定工作溫度均低于兩種26 mm寬微熱管陣列冷板，帶毛細(xì)結(jié)構(gòu)微熱管陣列冷板的啟動時間與穩(wěn)定工作溫度均低于不帶毛細(xì)結(jié)構(gòu)微熱管陣列。

4)雙U形普通銅水熱管冷板受環(huán)境溫度的影響最大，帶毛細(xì)結(jié)構(gòu)微熱管陣列冷板受環(huán)境溫度的影響最小，3種熱管冷板在常溫與高溫下的啟動性能相差不大。

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本文標(biāo)題：熱管冷板常溫與高低溫性能試驗研究

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