針對(duì)密閉結(jié)構(gòu)高熱流密度器件的高效散熱器研究

熱設(shè)計(jì) 2022-04-06

1散熱器的發(fā)展現(xiàn)狀

隨著高熱流密度器件散發(fā)熱量的增多,普通散熱器很難滿足需求?熱管散熱器與普通散熱器不同的地方在于使用了熱管,大大提高了熱量的流動(dòng),從而提高了散熱效率?高熱流密度器件主要是為自熱源到環(huán)境之間設(shè)置一條較低的熱阻通路,這種裝置的主要目的是控制溫度,使高熱流密度器件的溫度保持在安全范圍之內(nèi),使它在安全的溫度范圍內(nèi)運(yùn)作?21世紀(jì)以來(lái),高熱流密度器件被廣泛應(yīng)用于我國(guó)多個(gè)方面,多個(gè)領(lǐng)域?而針對(duì)高熱流密度器件的散熱器也在不斷地研發(fā)和更新?lián)Q代中?

2高效散熱器

2.1散熱器的主要組成部分

散熱器設(shè)備主要針對(duì)的是密閉結(jié)構(gòu)高熱流密度器件,它主要是由受熱組件?導(dǎo)熱組件和散熱組件共同組成,與熱源直接接觸的是受熱組件,而與受熱組件另一端相連的是導(dǎo)熱組件,導(dǎo)熱組件的另一端與散熱組件相連接?導(dǎo)熱組件主要采用熱管,其工作原理為受熱組件為主要接收熱源裝置,受熱組件將接收的熱量傳到散熱組件上,散熱組件又將熱量傳給介質(zhì)?

2.2散熱器的基板和熱管

在這些組件中,受熱組件的主要成分為基板,基板的形狀多種多樣,最常見(jiàn)的有球面?弧面和平面,有些為了滿足電子設(shè)備需要是不規(guī)則的?為了保持其受熱面積的最大化,一般采用基本形狀為平面?熱管為直式熱管,其形狀主要為管狀?柱狀和片狀?

2.3散熱器的散熱片

散熱器是將銅管作為原材料使用的,因?yàn)殂~管的防腐蝕能力強(qiáng),而且銅的導(dǎo)熱性比較好,其耐氧化和堿腐蝕的性能優(yōu)于其他用于散熱器的金屬材料?

散熱片的導(dǎo)熱性主要由接觸面?導(dǎo)熱材料和散熱片的固定方式來(lái)影響的?發(fā)熱件和散熱片之間應(yīng)保持大的接觸面,使接觸熱阻降低?并且接觸面的光潔度也要比較高?如果太過(guò)于粗糙,接觸熱阻相對(duì)較高,不利于散熱?為了提高光潔度,會(huì)在散熱片的中間涂抹導(dǎo)熱脂?

2.4散熱器的填充物質(zhì)

傳統(tǒng)的散熱器中填充的是金屬液體,它可以在常溫下是液態(tài),也可以像水一樣流動(dòng),但導(dǎo)熱能力和比熱容比傳統(tǒng)的水和水蒸汽等導(dǎo)熱介質(zhì)高得多而且液態(tài)金屬的粘度低?比熱性良好,而且熱導(dǎo)率很高,非常適用于熱處理劑和熱傳導(dǎo)劑?設(shè)備設(shè)有驅(qū)動(dòng)泵,驅(qū)動(dòng)泵位于液體金屬管道的上部,主要用來(lái)驅(qū)動(dòng)液體金屬管道內(nèi)的液體金屬流動(dòng)?驅(qū)動(dòng)泵可以根據(jù)設(shè)備所需靈活控制液體?

2.5散熱器的相關(guān)參數(shù)

圖中1為受熱面積較大的平面型基板,2為金屬液體流動(dòng)管道,圖中的陰影部分為散熱片,8為主管道,9?12?14?15?13為液體流動(dòng)控制開(kāi)關(guān),主要控制金屬液體的流動(dòng)?

熱流密度是衡量一個(gè)散熱器設(shè)備的重要指標(biāo),金屬熱強(qiáng)度主要指金屬散熱器內(nèi)的平均溫度和室內(nèi)空氣溫度相差1℃,每公斤質(zhì)量的金屬單位時(shí)間散發(fā)的熱量?在重量相同的情況下,金屬熱強(qiáng)度的值越大,設(shè)備發(fā)散同樣的熱量所耗費(fèi)的金屬越少,結(jié)構(gòu)相似的散熱器散熱量越大?

2.6高效散熱器的優(yōu)勢(shì)

散熱器采用整體鍛造的加工方式將液態(tài)金屬自循環(huán)冷板?吸熱裝置和液態(tài)金屬管道連成一體,盡可能地降低系統(tǒng)熱阻,導(dǎo)熱效果較為理想;其次,液態(tài)金屬與其他金屬不同的地方在于它不易蒸發(fā)也不容易泄露,安全無(wú)毒,容易回收,對(duì)大自然的污染非常小?散熱系統(tǒng)的使用壽命可以得到保障,運(yùn)行穩(wěn)定?而且這種散熱器的液態(tài)金屬自循環(huán)管飯系統(tǒng)主要在蓋板的外部,從而防止由于液體泄露滲透到設(shè)備內(nèi)部從而短路的情況發(fā)生?液態(tài)金屬散熱器與傳統(tǒng)水冷散熱器相比,熱量輸送和極限散熱能力更加強(qiáng),因?yàn)橐簯B(tài)金屬的導(dǎo)熱率遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于水?空氣等非金金屬介質(zhì)的導(dǎo)熱率,所以熱量輸送效果更佳?本設(shè)備避免了傳統(tǒng)散熱器容易潮濕?容易產(chǎn)生霉菌的特點(diǎn),因?yàn)樵O(shè)備中的冷風(fēng)裝置中的氣流只吹向翅片,而并不吹向設(shè)備內(nèi)部?所以防止因密閉設(shè)計(jì)與外面容易導(dǎo)致潮濕?霉菌的空氣相互隔絕?而且散熱器中的液態(tài)金屬進(jìn)入散熱器后,從中心向四周流動(dòng),最后到達(dá)頂部出口流出散熱器?

本散熱器使用特殊裝置避開(kāi)了散熱底板溫度不均勻的弊端?傳統(tǒng)的散熱器存在散熱底板溫度不均勻的情況?底板的平均溫度在一定程度上是體現(xiàn)散熱器散熱效率的重要依據(jù)?距離底板的中心越遠(yuǎn),其位置的溫度越高,所以,邊角位置的溫度是散熱器底板溫度的最高值?在本設(shè)備中底板的邊角處加設(shè)了倒流片,其目的就在于使散熱器底板的溫度分布更加均勻,避免因底板溫度差異太大影響散熱器的使用壽命?而且同一熱流密度的情況下,冷卻金屬液體流量的增大,芯片溫度降低的幅度越來(lái)越小?

3具體使用方式

該散熱器的工作原理為液態(tài)金屬管飯形成一個(gè)回路,在液態(tài)金屬管飯上設(shè)有專(zhuān)門(mén)用于吸收密閉空間中的發(fā)熱器件散發(fā)熱量的吸熱裝置?本設(shè)計(jì)充分利用液態(tài)金屬的高導(dǎo)熱性能和流動(dòng)性,運(yùn)用特殊驅(qū)動(dòng)泵驅(qū)動(dòng)驅(qū)動(dòng)管道內(nèi)的金屬液體流動(dòng),從而形成一個(gè)循環(huán)式的熱量傳輸系統(tǒng)?每當(dāng)液態(tài)金屬的熱量被吸熱裝置吸收后,散熱翅片和處于散熱翅片下方的散熱板一起對(duì)金屬液體散熱?并且在散熱翅片和散熱板的共同一側(cè)專(zhuān)門(mén)設(shè)置了強(qiáng)迫冷風(fēng)裝置,主要用于對(duì)散熱翅片和散熱板的降溫和散熱,降溫后的液態(tài)金屬再重新流回吸熱裝置,接連不斷地將熱量帶走,從而進(jìn)一步加強(qiáng)對(duì)液態(tài)金屬的散熱效果,達(dá)到降低密閉結(jié)構(gòu)高熱流密度器件的溫度的效果?(圖2)

圖2中1-3為散熱組件,5-9為受熱組件,4?10和11為導(dǎo)熱組件,散熱器中的液體可以從6-9所在位置通過(guò)管道運(yùn)行到1-3所在位置,通過(guò)相關(guān)裝置將熱風(fēng)散出去?

散熱器的使用效果與安裝工藝有很大關(guān)系,散熱器安裝時(shí)應(yīng)當(dāng)盡量增加主設(shè)備與散熱器之間的接觸面積,從而降低接觸熱阻,提高熱量傳送的效率?散熱器在停止工作后如果自然冷卻,應(yīng)該使散熱器的表面與水平面的方向平行?

高熱流密度器件散熱冷卻方式主要可以分為兩種,分別為被動(dòng)式冷卻和主動(dòng)式冷卻?被動(dòng)式冷卻指冷源溫度比環(huán)境溫度高的電氣元件散熱方式,被動(dòng)式冷卻又可以根據(jù)冷卻介質(zhì)的不同可分為液體冷卻和空氣冷卻?被動(dòng)液態(tài)冷卻是將其內(nèi)能直接轉(zhuǎn)化成熱能?隨后將熱能分散到各個(gè)結(jié)構(gòu),從而使內(nèi)部與外部的熱量不相上下,從而避免受熱不均情況的發(fā)生,也不會(huì)影響高熱流密度器件的使用年限?主動(dòng)式冷卻即冷源溫度比環(huán)境溫度低的一種散熱方式?其主要工作原理是將芯片的溫度降到和環(huán)境溫度相差無(wú)幾的狀態(tài)下,提高器件的使用性能?主動(dòng)性冷卻的優(yōu)勢(shì)在于芯片溫度比較低,其缺點(diǎn)在于消耗的能量高于被動(dòng)式冷卻?設(shè)備中的冷卻系統(tǒng)屬于主動(dòng)式冷卻;設(shè)備會(huì)帶有溫度計(jì),這個(gè)溫度計(jì)可以展現(xiàn)其內(nèi)部溫度,這樣做有利于密切關(guān)注熱工元件的運(yùn)行狀態(tài)?如果其運(yùn)行不正常,表現(xiàn)為溫度太高或者太低,就要停止運(yùn)行,并及時(shí)找出電子元件的問(wèn)題,采取相應(yīng)措施解決問(wèn)題,從而保障電子元件的運(yùn)行狀態(tài)是良好的?

對(duì)于這款散熱器的接管方式來(lái)說(shuō),在相同一側(cè)保持上進(jìn)下出,在不同的兩側(cè),一般從上部進(jìn)去下部出去,底部進(jìn)去底部出去這三種接法?在相同一側(cè)從下面進(jìn)上年出,則會(huì)使散熱量降低?本設(shè)備的接管方式主要為從不同的兩側(cè),從上部進(jìn)去下部出去,保持熱量發(fā)散的最大化?在一般范圍內(nèi),風(fēng)速越大,發(fā)熱流量越大,溫度降低的速度越快;但超過(guò)一定峰值,發(fā)熱流量反而會(huì)隨著風(fēng)速的提高而減弱?所以,發(fā)熱流量的大小主要由適宜的風(fēng)速?zèng)Q定,熱流量越大,適宜的風(fēng)速越大?本設(shè)備的風(fēng)速是可以根據(jù)高密度器件所需的熱流量進(jìn)行調(diào)節(jié),靈活滿足器件所需?