電子設(shè)備的高性能、高可靠、高精度以及小體積、輕量化的發(fā)展要求使其集成度、功率以及熱流密度越來(lái)越高，有效解決散熱問(wèn)題是保證其性能的前提、目前，常用的散熱方式有自然散熱、風(fēng)冷散熱、液冷散熱、熱管散熱等，其中熱管是一種相變傳熱元件，通過(guò)工質(zhì)相變傳熱，當(dāng)量導(dǎo)熱系數(shù)可達(dá)銅的幾倍甚至幾十倍，具有導(dǎo)熱性高、均溫性好等優(yōu)點(diǎn)，在各民用領(lǐng)域電子設(shè)備的散熱中廣泛應(yīng)用、但熱管為一維傳熱，獨(dú)立熱管無(wú)法滿足電子設(shè)備的散熱需求，為充分利用熱管的高傳熱特性，將熱管與銅板或鋁板結(jié)合形成熱管均溫板是目前常用的一種方式，在軍用領(lǐng)域受到越來(lái)越多的關(guān)注和研究、但軍用電子設(shè)備使用環(huán)境惡劣、工況多樣，為驗(yàn)證熱管均溫板在軍用領(lǐng)域電子設(shè)備中應(yīng)用的可行性，需對(duì)熱管及熱管均溫板的性能及環(huán)境適應(yīng)性進(jìn)行充分的驗(yàn)證、文獻(xiàn)[2]研究了不同工質(zhì)溝槽式微熱管的傳熱性能、文獻(xiàn)[3–5]研究了不同類型熱管的啟動(dòng)性能、文獻(xiàn)[6]對(duì)比了鋁基均溫板散熱盒、熱管散熱盒和鋁合金散熱盒的散熱性能，相同工況下，熱管散熱盒的散熱性能最優(yōu)、文獻(xiàn)[7]研究了不同加速度條件下，熱管均溫板的傳熱性能及當(dāng)量導(dǎo)熱系數(shù)，結(jié)果表明，在0g-13g加速度條件下，熱管均溫板都能正常工作

上述文獻(xiàn)主要針對(duì)熱管的啟動(dòng)性能和傳熱性能開(kāi)展研究、為了充分驗(yàn)證熱管均溫板在軍用領(lǐng)域電子設(shè)備中應(yīng)用的可行性，本文對(duì)不同工質(zhì)熱管均溫板的散熱性能及不同姿態(tài)下的環(huán)境適應(yīng)性進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，為電子設(shè)備不同工況下選用熱管均溫板提供參考

1 試驗(yàn)系統(tǒng)及測(cè)試要求

1.1測(cè)試樣件

熱管均溫板由鋁基板和熱管組成，尺寸為300mm×70mm×6mm，熱管為銅燒結(jié)芯熱管，通過(guò)錫釬焊焊接在鋁基板槽內(nèi)。熱管選用的兩種工質(zhì)分別為水和丙酮，熱管外徑尺寸為Φ8mm，壁厚0.5mm，壓扁至3.5mm后嵌入鋁基板槽內(nèi)，測(cè)試樣件如圖1所示。

1.2試驗(yàn)系統(tǒng)

試驗(yàn)系統(tǒng)如圖2所示。在熱管均溫板的兩端貼合液冷板。采用EBG電阻作為模擬熱源，在熱管均溫板外露熱管面布置3個(gè)電阻，電阻與均溫板貼合面涂抹導(dǎo)熱硅脂。采用直流電源為EBG電阻供電，可通過(guò)調(diào)節(jié)電壓控制電阻的功率。采用T型熱電偶測(cè)試熱管均溫板表面溫度，熱電偶布置位置如圖3所示，通過(guò)溫度采集儀記錄測(cè)試數(shù)據(jù)。液冷源作為散熱終端為液冷板提供冷卻液，供液溫度為20℃，供液流量為1.5L/min。

1.3試驗(yàn)項(xiàng)目及要求

為充分驗(yàn)證熱管均溫板的散熱性能，分別對(duì)銅–水熱管均溫板及銅–丙酮熱管均溫板在平放、橫放以及豎放姿態(tài)下的散熱性能進(jìn)行測(cè)試對(duì)比，熱管均溫板的放置姿態(tài)如圖4所示。

為驗(yàn)證熱管均溫板的環(huán)境適應(yīng)性，分別對(duì)銅–水熱管均溫板及銅–丙酮熱管均溫板在平放、橫放以及豎放姿態(tài)下進(jìn)行高溫儲(chǔ)存、低溫儲(chǔ)存和溫度循環(huán)試驗(yàn)，試驗(yàn)條件如下：

1)高溫儲(chǔ)存按GJB150A—2009中試驗(yàn)方法，溫度+90℃，保溫48h；
2)低溫儲(chǔ)存按GJB150A—2009中試驗(yàn)方法，溫度-55℃，保溫24h；
3)溫度循環(huán)按GJB150A—2009中試驗(yàn)方法，高溫+90℃，低溫-55℃，保溫時(shí)間1h，轉(zhuǎn)換時(shí)間≤1min，循環(huán)次數(shù)30次。

為驗(yàn)證環(huán)境試驗(yàn)對(duì)熱管均溫板性能的影響，在高溫儲(chǔ)存、低溫儲(chǔ)存和溫度循環(huán)試驗(yàn)后再進(jìn)行散熱性能的測(cè)試及對(duì)比分析。

2?試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1銅–水熱管均溫板測(cè)試結(jié)果

試驗(yàn)中測(cè)試了不同功率、不同放置姿態(tài)下熱管均溫板的表面溫度，分析了不同放置姿態(tài)對(duì)熱管均溫板傳熱性能的影響?通過(guò)調(diào)節(jié)直流電源,使模擬熱源功率分別為60W、90W和120W，記錄8個(gè)測(cè)溫點(diǎn)的溫度，如表1所示?

由表1中數(shù)據(jù)可知，60W熱源平放時(shí),各測(cè)溫點(diǎn)最高溫度為30.2℃，最大溫差為3.1℃；橫放時(shí)，各測(cè)溫點(diǎn)最高溫度為30.5℃，最大溫差為3.1℃；豎放時(shí),各測(cè)溫點(diǎn)最高溫度為30.7℃，最大溫差為4.2℃。90W熱源平放時(shí)，各測(cè)溫點(diǎn)最高溫度為35.8℃，最大溫差為4.5℃；橫放時(shí),各測(cè)溫點(diǎn)最高溫度為36.1℃，最大溫差為5.8℃；豎放時(shí)，各測(cè)溫點(diǎn)最高溫度為36.0℃，最大溫差為5.9℃。120W熱源平放時(shí)，各測(cè)溫點(diǎn)最高溫度為42.0℃，最大溫差為4.6℃；橫放時(shí)，各測(cè)溫點(diǎn)最高溫度為43.9℃，最大溫差為9.5℃；豎放時(shí),各測(cè)溫點(diǎn)最高溫度為48.9℃，最大溫差為10.1℃。綜合分析表1中試驗(yàn)結(jié)果可以看出,隨著功率的增加，不同姿態(tài)下均溫板各測(cè)點(diǎn)的最高溫度及最大溫差均增大；功率相同時(shí)，不同姿態(tài)下均溫板各測(cè)點(diǎn)的最高溫度及最大溫差在平放時(shí)最小，豎放時(shí)最大?

對(duì)銅–水熱管均溫板在不同姿態(tài)下分別進(jìn)行高溫儲(chǔ)存、低溫儲(chǔ)存和溫度循環(huán)試驗(yàn)。高溫儲(chǔ)存、低溫儲(chǔ)存和溫度循環(huán)試驗(yàn)后,平放和橫放的銅–水熱管均溫板均未出現(xiàn)異?，F(xiàn)象，且試驗(yàn)后產(chǎn)品的散熱性能與試驗(yàn)前基本一致，無(wú)明顯變化。對(duì)于豎放的銅–水熱管均溫板,高溫儲(chǔ)存試驗(yàn)后產(chǎn)品未出現(xiàn)異?，F(xiàn)象；低溫儲(chǔ)存和溫度循環(huán)試驗(yàn)后，在產(chǎn)品下端熱管均出現(xiàn)了鼓包現(xiàn)象，如圖5所示?

豎直放置時(shí)，內(nèi)部工質(zhì)受重力作用匯聚在底部，由于熱管內(nèi)部工質(zhì)為水，低溫時(shí)水結(jié)冰膨脹，導(dǎo)致鼓包?

2.2銅–丙酮熱管均溫板測(cè)試結(jié)果

不同功率下，采用銅–丙酮熱管均溫板進(jìn)行散熱性能測(cè)試，各測(cè)溫點(diǎn)的溫度如表2所示?

由表2中數(shù)據(jù)可知，60W熱源平放時(shí),各測(cè)溫點(diǎn)最高溫度為46.7℃，最大溫差為7.5℃；橫放時(shí)，各測(cè)溫點(diǎn)最高溫度為44.9℃，最大溫差為7.7℃；豎放時(shí),各測(cè)溫點(diǎn)最高溫度為47.3℃，最大溫差為9.7℃。90W熱源平放時(shí),各測(cè)溫點(diǎn)最高溫度為59.4℃，最大溫差為11.4℃；橫放時(shí)，各測(cè)溫點(diǎn)最高溫度為53.1℃，最大溫差為11.2℃；豎放時(shí)，各測(cè)溫點(diǎn)最高溫度為60.9℃，最大溫差為15.8℃。120W熱源平放時(shí),各測(cè)溫點(diǎn)最高溫度為71.4℃，最大溫差為14.0℃；橫放時(shí),各測(cè)溫點(diǎn)最高溫度為65.3℃，最大溫差為14.9℃；豎放時(shí),各測(cè)溫點(diǎn)最高溫度為84.9℃，最大溫差為20.0℃。綜合分析表2中試驗(yàn)結(jié)果可以看出,不同功率和姿態(tài)下，銅–丙酮熱管均溫板的測(cè)試結(jié)果與銅–水熱管均溫板的測(cè)試結(jié)果趨勢(shì)一致?

對(duì)銅–丙酮熱管均溫板在不同姿態(tài)下分別進(jìn)行高溫儲(chǔ)存?低溫儲(chǔ)存和溫度循環(huán)試驗(yàn)?各項(xiàng)試驗(yàn)后,銅–丙酮熱管均溫板均未出現(xiàn)異?，F(xiàn)象，且試驗(yàn)前后，均溫板的散熱性能無(wú)明顯變化?

2.3測(cè)試結(jié)果分析

由上述測(cè)試結(jié)果可以看出,相同工況下，銅–水熱管均溫板表面的溫度及溫差均低于銅–丙酮熱管均溫板,說(shuō)明相同規(guī)格的銅–水熱管的傳熱性能優(yōu)于銅–丙酮熱管。原因是,在外部冷卻條件和均溫板結(jié)構(gòu)相同的條件下,影響傳熱性能的主要因素是熱管內(nèi)部工質(zhì)的熱物性能,水相較于丙酮具有更高的汽化潛熱、比熱容和導(dǎo)熱系數(shù)，在工作過(guò)程中,蒸發(fā)端和冷凝端工質(zhì)與管壁之間的傳熱熱阻更小,因此溫差相對(duì)較小。同種工質(zhì)熱管均溫板在相同散熱功率、不同放置姿態(tài)下，豎直放置時(shí)均溫板表面溫差較大。原因在于,測(cè)試系統(tǒng)的冷端布置于均溫板的兩端，對(duì)于靠下部分的熱量傳輸，工質(zhì)氣液循環(huán)受到重力影響，循環(huán)阻力增大，熱傳輸效率降低?

從不同姿態(tài)下熱管均溫板的環(huán)境適應(yīng)性試驗(yàn)結(jié)果可知，豎直姿態(tài)下，銅–水熱管均溫板在低溫儲(chǔ)存和溫度循環(huán)試驗(yàn)時(shí)均出現(xiàn)鼓包現(xiàn)象，而銅–丙酮熱管均溫板在3種姿態(tài)下均未出現(xiàn)異常現(xiàn)象。原因是,豎直姿態(tài)下熱管內(nèi)工質(zhì)受重力影響匯集在熱管底部，對(duì)于銅–水熱管，內(nèi)部工質(zhì)水在低溫環(huán)境下出現(xiàn)結(jié)冰，體積膨脹，產(chǎn)生較大的局部壓力致使熱管底部鼓包甚至破裂,而丙酮的凝固點(diǎn)為?94.6℃，在低溫?55℃時(shí)不會(huì)出現(xiàn)結(jié)冰現(xiàn)象，因此銅–丙酮熱管未出現(xiàn)鼓包現(xiàn)象?

3?結(jié)束語(yǔ)

本文針對(duì)工質(zhì)分別為水和丙酮的熱管均溫板在不同姿態(tài)下的散熱性能以及環(huán)境適應(yīng)性進(jìn)行了試驗(yàn)研究,結(jié)論及建議如下：

1)?相同工況下，相同規(guī)格的銅–水熱管均溫板的傳熱性能優(yōu)于銅–丙酮熱管均溫板；

2 )?管徑為Φ8mm?壁厚為0.5mm?壓扁后厚度為3.5mm的銅–水熱管,豎直放置時(shí)，在?55℃環(huán)境下，會(huì)出現(xiàn)鼓包現(xiàn)象；

3 )?銅–丙酮熱管均溫板的耐低溫及溫度循環(huán)沖擊性能優(yōu)于銅–水熱管均溫板；

4 )?對(duì)于存在0℃以下低溫使用環(huán)境的產(chǎn)品，不建議選用此規(guī)格以及厚度更薄的銅–水熱管?文中僅驗(yàn)證了一種規(guī)格的銅–水熱管，對(duì)于其他規(guī)格的銅–水熱管的環(huán)境適應(yīng)性還需進(jìn)一步驗(yàn)?

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