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泡沫銅式和微槽式均溫板散熱性能的對比研究

2018-05-23 00:58張東輝王劍橋史國進(jìn)吳明發(fā)
關(guān)鍵詞:槽式熱阻毛細(xì)

張東輝,周 麗,王劍橋,史國進(jìn),2,吳明發(fā)

(1.江蘇科技大學(xué) 能源與動力學(xué)院, 鎮(zhèn)江 212003) (2.杭州大和熱磁電子有限公司, 杭州 310053)

均溫板在電子器件散熱領(lǐng)域已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用.均溫板利用工質(zhì)的相變過程[1],通過潛熱的吸收與釋放,達(dá)到高效傳熱的目的.并能把高熱流密度“熱點(diǎn)”的熱量有效地均勻分散開,展平成為一個相對均勻的溫度場.如何制作尺寸更小,更薄,更大傳熱極限的均溫板,是電子器件散熱領(lǐng)域一個亟待解決的問題.毛細(xì)芯的結(jié)構(gòu)對平板熱管均溫器內(nèi)部的工質(zhì)循環(huán)和相變換熱有著極大影響[2].

近些年,國內(nèi)外在均溫板方面的研究取得了很多進(jìn)展.文獻(xiàn)[3]中比較了紅銅板和均溫板兩者擴(kuò)散熱阻的差異,均溫板尺寸為250 mm×200 mm×2 mm,加熱面積為100 mm×50 mm,毛細(xì)結(jié)構(gòu)為燒結(jié)銅粉,工作流體為水,利用紅外線攝影技術(shù)取得蒸發(fā)表面溫度,溫差皆在3℃以內(nèi),當(dāng)熱通量達(dá)到28 W/cm2時,均熱板擴(kuò)散阻值大約是同尺寸銅板的1/40,充分顯示出均溫板具有較佳的熱擴(kuò)散能力.文獻(xiàn)[4]中多尺度的泡沫銅吸液芯的制作是以復(fù)合電鍍和后續(xù)加熱的方法獲得.吸液芯里包含各種尺寸的孔隙,為5~300 μm,這種吸液芯能夠降低流動阻力,增大了毛細(xì)芯的抽液量.效果明顯優(yōu)于傳熱吸液芯.文獻(xiàn)[5]中提出了復(fù)合毛細(xì)芯結(jié)構(gòu),以解決毛細(xì)力與流動阻力的協(xié)調(diào)矛盾,這一考慮目前也已得到廣泛應(yīng)用[6-7].文獻(xiàn)[8]中提出一種均溫板設(shè)計(jì),上板冷凝區(qū)毛細(xì)結(jié)構(gòu)為厚度1 mm的145網(wǎng)目燒結(jié)銅網(wǎng),下板毛細(xì)結(jié)構(gòu)為單層燒結(jié)粉末,內(nèi)部除了支撐銅柱外,并在蒸發(fā)區(qū)布置直徑為150微米的燒結(jié)銅柱, 以縮短冷凝液回流路徑,此結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可使其傳熱極限達(dá)到約380 W/cm2,而最低蒸發(fā)熱阻為0.05kW/cm2.文獻(xiàn)[9]中對超輕泡沫金屬為吸液芯的不同工質(zhì)的平板熱管的傳熱性能進(jìn)行了研究,實(shí)驗(yàn)表明,以吸液芯制作的平板熱管,可以很大地提高其導(dǎo)熱效率和傳熱極限.文獻(xiàn)[10]中通過對實(shí)驗(yàn)結(jié)果的分析表明,有限空間內(nèi)沸騰—凝結(jié)共存的相變傳熱過程,但當(dāng)蒸汽腔高度變得非常小時,液面在汽泡的破裂攜帶等影響下很容易接觸到冷凝面,同時在表面張力的作用下,會形成不連續(xù)的“液橋”,這一現(xiàn)象對凝結(jié)換熱不利,沸騰和凝結(jié)換熱都受到了一定程度的抑制,使得沸騰和凝結(jié)表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)變小.通過對傳熱特性的分析,表明決定傳熱的關(guān)鍵環(huán)節(jié)是凝結(jié)傳熱,這是一個非常重要的發(fā)現(xiàn).目前很多均溫板相關(guān)研究的重心都是關(guān)注蒸發(fā)側(cè)熱阻,比較忽略冷凝側(cè)的傳熱.從目前均溫板的研究進(jìn)展來看,主要在于:① 復(fù)合毛細(xì)芯的應(yīng)用,通過大小不同孔徑的毛細(xì)芯組合,以協(xié)調(diào)均溫板毛細(xì)力和流動阻力之間的矛盾;② 多孔柱的應(yīng)用,在冷凝面和蒸發(fā)面之間燒結(jié)多孔柱,不僅可以進(jìn)一步提高均溫板的強(qiáng)度,而且更重要的是,大大縮短了均溫板的冷凝液回流路徑,這對提高均溫板的性能是有益的;③ 均溫板的厚度呈越來越薄的傾向,這對制程提出很高的要求[11].文中對微槽式和毛細(xì)芯式均溫板的制備和性能進(jìn)行了研究,毛細(xì)芯式均溫板采用新型泡沫銅[12-13]材料作為毛細(xì)芯.然后對微槽式和泡沫銅均溫板進(jìn)行了系統(tǒng)的性能測試,研究其軸向熱阻、并和市售均溫板的性能進(jìn)行了對比.

1 均溫板制備與實(shí)驗(yàn)測試系統(tǒng)

1.1 均溫板性能測試系統(tǒng)

實(shí)驗(yàn)測試系統(tǒng)主要由壓力加載系統(tǒng)、電加熱熱源系統(tǒng)、冷卻水路系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集輸出系統(tǒng)等組成(圖1).實(shí)驗(yàn)臺架中的壓盤可以將冷卻水套與均溫板緊密接觸,彈簧測力計(jì)可反映壓載力的大小,從而降低其接觸熱阻.均溫板性能測試中,冷凝端采用冷卻水套來進(jìn)行冷卻.以了解均溫板測試過程中冷凝端帶走的熱量.冷卻水套的前端設(shè)置了流量為6~60 L/h的玻璃轉(zhuǎn)子流量計(jì).冷卻水套的外部采用了石棉保溫層包裹以減少熱量的散失.均溫板測量采用加熱銅塊作為模擬熱源,加熱銅塊底部布設(shè)多根加熱棒,每根加熱棒的最大加熱功率為150 W,并可通過變壓器調(diào)節(jié)加熱功率.加熱銅塊周圍采用絕緣電木盒進(jìn)行保溫.?dāng)?shù)據(jù)采集主要選用K型熱電偶采集溫度信號,通過智能巡檢儀與電腦連接,收集整理數(shù)據(jù).智能電量測量儀型號為PF9901,用來測量加熱功率,測量范圍為0~3 000 W,主要包括MCGS數(shù)據(jù)采集監(jiān)控軟件、計(jì)算機(jī)、優(yōu)倍智能巡檢儀、RS232、RS485串口轉(zhuǎn)換器以及熱電偶,其他測量儀器的型號如表1.

1—加熱棒; 2—加熱銅塊; 3—熱電偶線; 4—保溫層;5—均溫板;6—冷卻水套; 7—功率表; 8—調(diào)壓器;9—巡檢儀; 10—計(jì)算機(jī)圖1 均溫板實(shí)驗(yàn)測試系統(tǒng)Fig.1 Experimental system of vapor chamber表1 設(shè)備參數(shù)Table 1 Equipment parameters

信號采集程序可以對每一個熱電偶的數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時動態(tài)顯示以及輸出,所以能實(shí)時監(jiān)控任何一個熱電偶.實(shí)驗(yàn)過程中通過觀察監(jiān)控軟件來觀測均溫板的運(yùn)行狀態(tài).可以調(diào)整加熱功率、冷卻水流量,當(dāng)均溫板達(dá)到穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)時,測得的數(shù)據(jù)將自動保存,巡檢儀每20 s記錄保存一次,為實(shí)驗(yàn)結(jié)果的后續(xù)處理和分析提供原始材料.

1.2 微槽式和毛細(xì)芯式均溫板的制備

均溫板殼體材料選用紫銅,采用去離子和除氣水作為工質(zhì).微槽式均溫板是指以微槽作為吸液芯的均溫板,在均溫板的徑向上以微型微槽提供毛細(xì)力,將冷凝回來的工質(zhì)輸送到中心加熱區(qū)域.在均溫板的上下板面上加工出來的槽道即為吸液芯結(jié)構(gòu),呈現(xiàn)出由中心向四周輻射的形狀.課題中微槽式均溫板是采用CNC雕刻機(jī)方式來加工,槽道截面為矩形, 具體結(jié)構(gòu)如圖2,不同微槽式均溫板的幾何參數(shù)如表2,由表中可知,微槽深寬比約為1.0~2.0.均溫板冷凝側(cè)均選用同一上板.考慮到抽真空之后均溫板的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度問題,上板加工了均勻分布的支撐柱.均溫板長寬均為100 mm, 總厚度為4.5 mm,其中空腔部分為1.8 mm,上板壁厚1.2 mm,下板壁厚1.5 mm.

圖2 微槽式均溫板結(jié)構(gòu)微槽分布示意Fig.2 Groove distribution of grooved vapor chamber表2 均溫板微槽尺寸Table 2 Groove size of vapor chamber

微槽上板微槽1號下板微槽2號下板微槽3號下板總厚度/mm31.51.51.5槽深/mm0.50.50.50.5槽寬/mm20.30.50.5槽數(shù)量18484860

毛細(xì)芯均溫板其毛細(xì)芯采用泡沫銅.其孔隙率分別為65%、85%.泡沫銅厚度為0.6 mm.在毛細(xì)芯與均溫板燒結(jié)結(jié)合之前,確認(rèn)泡沫金屬表面潔凈且無氧化變質(zhì)等現(xiàn)象,并將吸液芯裁剪成所需形狀,將其放入已經(jīng)加工好的銅板中,并壓緊燒結(jié),使其燒結(jié)后能夠緊密的與銅板結(jié)合.均溫板的制備主要工序有:清洗、泡沫銅吸液芯的燒結(jié)、上下板和充注管的焊接、對其進(jìn)行檢漏、充注、抽真空再焊接封口.燒結(jié)是最為關(guān)鍵的步驟,本實(shí)驗(yàn)采用釬焊爐,對均溫板進(jìn)行多次燒結(jié),首先燒結(jié)均溫板與泡沫銅,使泡沫銅與上下蓋板緊密結(jié)合,然后進(jìn)行第二次燒結(jié),將均溫板的上下蓋板燒結(jié)結(jié)合,以及充注管與腔體的焊接.然后,在自動充注系統(tǒng)上充入規(guī)定額量的水,抽真空至133.3~1 333 Pa,最后進(jìn)行封口焊接.

圖3 放大100倍兩種泡沫銅的微觀形貌Fig.3 Microstructure of two copper-foamswith magnified 100

1.3 可視化實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

可視化實(shí)驗(yàn)是為了驗(yàn)證在均溫板在工作狀態(tài)下的運(yùn)行情況.觀測均溫板在正常工作情況下的沸騰情況,可以為對均溫板工作運(yùn)行情況下的機(jī)理提供依據(jù).可視化均溫板的吸液芯的孔隙率為80%.熱流密度為2.2~13.3 W/cm2,用高清攝像機(jī)拍攝其內(nèi)部工作情況.可視化均溫板觀測系統(tǒng)主要包含電加熱系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)、保溫部分、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、光源與高速攝影系統(tǒng).可視化實(shí)驗(yàn)中的均溫板采用“三明治”設(shè)計(jì):不銹鋼框架、亞克力板和紫銅底板(圖4).上蓋板采用亞克力板,通過螺栓與下蓋板結(jié)合,底部銅板與亞克力板之間采用丁晴橡膠作為密封圈.在封裝前,對亞克力上蓋板采用了親水膜的處理,以減少水珠在亞克力板表面的凝結(jié).在底板內(nèi)表面加工微槽或燒結(jié)泡沫銅,作為其吸液芯.封裝后進(jìn)行抽真空注液處理.需要注意的是,為方便觀察,長條形冷凝水套布置在均溫板底部的兩側(cè).

實(shí)驗(yàn)采用Olympus高速攝影儀觀察均溫板內(nèi)部運(yùn)行狀況.由恒溫水槽提供一定流量的冷卻水,設(shè)定入口冷卻水水溫為15℃,其誤差為±0.2℃.其整體測試系統(tǒng)如圖5.可視化實(shí)驗(yàn)時,底部加熱銅塊面積為2.25 cm2,實(shí)驗(yàn)熱流密度為0~50 W/cm2.

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 均溫板軸向熱阻

實(shí)驗(yàn)對制備的均溫板進(jìn)行了性能研究,其毛細(xì)芯結(jié)構(gòu)依次為1號48微槽數(shù)(深寬比為1.6)、2 號48微槽數(shù)(深寬比為1.0)、3 號60微槽數(shù)(深寬比為1.0)和泡沫銅2號(孔隙率為85 %)、泡沫銅3號(孔隙率為65 %),并與市售均溫板(尺寸為100 mm×100 mm×3 mm)進(jìn)行了比較.冷卻水套冷卻水的流量為20 L/h,進(jìn)水溫度為15℃,環(huán)境溫度18℃.各均溫板的充注量需根據(jù)孔隙(或微槽)的體積確定, 如表3.根據(jù)文獻(xiàn)中可視化研究的結(jié)果表明[8],充注率過大,均溫板蒸發(fā)面上的沸騰過程是池沸騰模式;當(dāng)充注率逐漸減小時,沸騰過程是薄液膜蒸發(fā)模式,其換熱性能優(yōu)于池沸騰模式.但充注率過小,容易引起蒸發(fā)面的干涸.實(shí)驗(yàn)中所制備的均溫板充注率在45%~100%.均溫板性能測試從10 W開始,每次提升10 W,直到分別加熱至120 W,每次穩(wěn)定時間約30 min.如表5、6,列出了各組實(shí)驗(yàn)的輸入功率已經(jīng)經(jīng)過計(jì)算得到的冷凝散熱量.對于所制備的均溫板,一般當(dāng)加熱到100~120W時,熱阻會明顯升高,這意味著已經(jīng)達(dá)到均溫板的傳熱極限.

表3 各均溫板的充注量Table 3 Filling quantity of each vapor chamber

表4 均溫板各毛細(xì)芯提供的毛細(xì)壓差力(Pa)和滲透率Table 4 Parameters for all kinds of vapor chambers

表5 2號泡沫銅均溫板實(shí)驗(yàn)加熱功率表Table 5 Experiment heating power meter of the No.2copper foam vapor chamber

表6 3號泡沫銅均溫板實(shí)驗(yàn)加熱功率表Table 6 Experiment heating power meter of the No.3copper foam vapor chamber

均溫板軸向熱阻定義為:

(1)

式中:To為加熱塊頂部溫度;Tc為均溫板冷凝器面平均溫度;Q為加熱功率,由于系統(tǒng)存在散熱,實(shí)際通過均溫板小于加熱功率,這里加熱功率按照冷卻水進(jìn)出口溫差計(jì)算.

各均溫板的軸向熱阻性能如圖6,從整體趨勢看,泡沫銅均溫板熱阻最小,性能較優(yōu).熱阻R在0.2 K/W左右,特別是當(dāng)加熱功率Q高于60 W時,兩種泡沫銅板的熱阻是所有均溫板中最小的;而微槽式均溫板,熱阻性能差異比較大,微槽1號板性能較好,特別是在加熱功率低于60 W時, 熱阻是所制備的均溫板中最小的.微槽2號板性能最差.實(shí)驗(yàn)制備的泡沫銅均溫板性能整體高于市場購買的均溫板,僅微槽2號板其性能遜于購買的均溫板.根據(jù)泡沫銅和微槽的結(jié)構(gòu)參數(shù),計(jì)算了所制備的均溫板滲透率和毛細(xì)壓差力的大小,如表3.由于抽真空過程基本一致,因此,影響均溫板性能的主要是毛細(xì)壓差力、滲透率和充注率.從3號泡沫銅板的情況看,盡管其滲透率較低,但由于毛細(xì)力最大,傳熱性能比較好.因而,可認(rèn)為毛細(xì)壓差力是對影響均溫板性能非常重要的因素.這從三種微槽式均溫板的性能對比也可得以佐證,微槽1號板與其他兩種微槽板主要差異在于充注率和毛細(xì)力,由于微槽1號板的槽道水力直徑較小,使得驅(qū)動冷凝液回流的毛細(xì)壓差力較大,從而使微槽式均溫板的性能得以提升.而充注率在其中的影響,則需要進(jìn)一步的研究.微槽3號板盡管槽道數(shù)最多,滲透率很大,但熱阻卻較高,與其充液率較低存在一定的關(guān)聯(lián).

圖6 均溫板的軸向熱阻Fig.6 Axial thermal resistance of vapor chamber

圖7、8分別為1號微槽板和2號泡沫銅板的熱阻變化.熱阻R分別以總加熱功率Q和冷凝水套進(jìn)出口水溫溫差計(jì)算,可以看到,前者遠(yuǎn)低于后者.當(dāng)加熱功率不斷增加時,均溫板的熱阻緩慢上升.對于1號微槽板,當(dāng)加熱功率到達(dá)102 W以后,其熱阻迅速增加,這意味著均溫板已失效;而對于2號泡沫銅板,當(dāng)加熱功率到達(dá)125 W后,均溫板失效.

2.2 可視化實(shí)驗(yàn)結(jié)果

對于2號泡沫銅均溫板,首先進(jìn)行了充液率為30%的觀察實(shí)驗(yàn).當(dāng)輸入熱流密度為7 W/cm2,觀察結(jié)果如圖9.

圖9 均溫板蒸發(fā)面干涸區(qū)域變化Fig.9 Dryout area variation diagram of vaporchamber evaporating surface

對于蒸發(fā)面加熱中心區(qū)域,可明顯觀測到干涸現(xiàn)象,隨著加熱時間的變化,干涸邊界線明顯出現(xiàn)下移,原本濕潤區(qū)變干;當(dāng)熱流密度至12 W/cm2,干涸速度變快,但仍然觀察不到池沸騰現(xiàn)象,而是一種典型的薄液膜蒸發(fā)現(xiàn)象[8].當(dāng)充液率為100%時,如果加熱功率低于8 W/cm2,并無池沸騰現(xiàn)象的發(fā)生,表明蒸發(fā)面的換熱是屬于薄液膜蒸發(fā)機(jī)制;但高于8 W/cm2后,觀察結(jié)果如圖10.

圖10 多孔毛細(xì)芯表面孔隙中液面脈動過程Fig.10 Pulse process of Liquid level inthecopper foam vapor chamber

其中白點(diǎn)區(qū)域是水珠在LED光源照射下的反光,黑色區(qū)域代表多孔芯的孔隙,灰色區(qū)域代表多孔芯的骨架.在加熱過程中,白點(diǎn)在孔隙區(qū)域一上一下閃耀,一個變化周期T為0.026 s,意味著液位在孔隙中脈動升落,高速攝影系統(tǒng)以500 fps的速度拍攝.屬于毛細(xì)芯中間的液位出現(xiàn)脈動的現(xiàn)象,這意味著蒸發(fā)面中心區(qū)域出現(xiàn)了池沸騰現(xiàn)象,液位的升落是由多孔芯內(nèi)部氣泡的膨脹和破裂所致.對于1號微槽式均溫板內(nèi),其充液率為100%,采用高倍攝影系統(tǒng)對其內(nèi)部運(yùn)行情況進(jìn)行了觀察,放大倍數(shù)為200倍.實(shí)驗(yàn)中,當(dāng)加熱功率是10 W時,可清楚觀察到冷凝水向充液中心聚集而后被吸進(jìn)槽道;當(dāng)加熱到25 W后,亞克力板變形并向中間凹陷,冷凝液中心積液較多.此時仍不能看到明顯的氣泡,即池沸騰現(xiàn)象不明顯;而當(dāng)加熱功率到45 W時,能夠看到微槽內(nèi)的水不斷產(chǎn)生氣泡,速率非???圖11),與此同時,亞克力板四周結(jié)露速度亦很快.此時均溫板內(nèi)應(yīng)發(fā)生了劇烈的池沸騰現(xiàn)象.

圖11 微槽式均溫板內(nèi)的沸騰過程Fig.11 Boiling process of grooved vapor chamber

3 結(jié)論

(1) 泡沫銅均溫板的傳熱性能優(yōu)于微槽式均溫板,不同熱流密度下的軸向熱阻與市售均溫板相當(dāng).在未失效前,均溫板熱阻達(dá)到0.2 K/W;

(2) 影響均溫板性能的主要是毛細(xì)壓差力、滲透率和充注率.毛細(xì)壓差力的提高對均溫板的性能提升有著顯著的效果;

(3) 在可視化實(shí)驗(yàn)中,對于泡沫銅均溫板,當(dāng)充液率和熱流密度較低時,蒸發(fā)面的傳熱主要是薄液膜蒸發(fā)機(jī)制;而當(dāng)充液率和熱流密度較高時,均溫板內(nèi)蒸發(fā)面的傳熱為池沸騰機(jī)制.對于微槽式均溫板,當(dāng)熱流密度較高時,能明顯觀察到微槽內(nèi)產(chǎn)生的氣泡,即均溫板蒸發(fā)面的傳熱屬池沸騰機(jī)制.

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幕墻槽式預(yù)埋件現(xiàn)場監(jiān)理探討
高滲鹽水霧化吸入治療毛細(xì)支氣管炎的療效觀察
孟魯司特治療不同病原感染后毛細(xì)支氣管炎的療效
預(yù)制裝配式地鐵車站結(jié)構(gòu)榫槽式接頭力學(xué)性能研究
布地奈德治療小兒毛細(xì)支氣管炎的效果觀察
槽式太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)太陽倍數(shù)和蓄熱時長的選取方法研究
新型無接觸熱阻空調(diào)換熱器性能研究