李勇 徐沛懇 楊世凡 鄧勵強(qiáng) 佘佩健

(華南理工大學(xué) 機(jī)械與汽車工程學(xué)院，廣東 廣州 510640)

5G技術(shù)的發(fā)展帶來了新的重大散熱難題：在體積相近的情況下，當(dāng)前5G基站功耗為4G基站的兩到三倍，單個射頻拉遠(yuǎn)單元(RRU)的功耗達(dá)到1 300 W[1]。

均熱板本質(zhì)上是一種熱管，依靠工質(zhì)相變高效傳熱[2]。目前廣泛應(yīng)用的均熱板是銅質(zhì)均熱板，主要研究工作聚焦于新型結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、傳熱性能優(yōu)化等方面。Li等[3]對比分析了泡沫銅結(jié)構(gòu)均熱板與絲網(wǎng)燒結(jié)型均熱板的傳熱性能，發(fā)現(xiàn)泡沫銅均熱板能承受的功率密度高于絲網(wǎng)燒結(jié)型均熱板100%～200%；Chen等[4]設(shè)計(jì)了一種新型超薄銅質(zhì)均熱板，其導(dǎo)熱系數(shù)可達(dá)12 000 W/(m·K)。劉旺玉等[5]提出了均熱板吸液芯仿葉脈分形結(jié)構(gòu)，實(shí)驗(yàn)得出分形角度為30°與60°時結(jié)構(gòu)熱阻最小。

國內(nèi)外學(xué)者對鋁擠型均熱板也做過大量的研究。Chen等[6- 7]通過對不同充注率、不同長度、不同折彎角度下鋁擠型均熱板在水平工況下的功率測試，發(fā)現(xiàn)充注率為25%的均熱板性能最好，傳熱性能隨著長度的減小與折彎角度的增大而增強(qiáng)。唐恒等[8]利用犁切技術(shù)在鋁擠型鋁質(zhì)均熱板內(nèi)加工出溝槽吸液芯結(jié)構(gòu)，可提高鋁擠型鋁質(zhì)均熱板的抗重力性能。

吹脹型鋁質(zhì)均熱板是一種新型均熱板結(jié)構(gòu),需要先采用印刷、滾壓、吹脹等工藝制造出中空鋁質(zhì)板殼[9- 10]，再通過真空、灌注、封口等工藝制造出可高效傳熱的均熱板。相對于傳統(tǒng)銅質(zhì)均熱板和鋁擠型均熱板，吹脹型均熱板在質(zhì)量、生產(chǎn)成本上都有明顯的優(yōu)勢，且由于內(nèi)部蒸汽腔互通，理論上具有比鋁擠型均熱板更優(yōu)異的均溫性能，當(dāng)前在5G基站上屬于全新應(yīng)用，尚未見文獻(xiàn)深入分析。但吹脹型板殼結(jié)構(gòu)在家用冰箱已有應(yīng)用及研究，如Sun等[11]研究了太陽能熱泵用吹脹型蒸發(fā)器的3種氣液通道結(jié)構(gòu)對其傳熱性能的影響，Righetti等[12]對比了3種低GWP工質(zhì)在冰箱用吹脹型蒸發(fā)器中的傳熱性能。

針對當(dāng)前5G基站散熱功率增大，迫切需要擴(kuò)大壓鑄基殼散熱翅片面積的需求，文中在現(xiàn)有吹脹型中空鋁質(zhì)板殼的基礎(chǔ)上，采用真空、灌注與冷焊等工藝，制造出可相變傳熱的吹脹型鋁質(zhì)均熱板(RAVC)，用作5G基站壓鑄機(jī)殼散熱翅片，以解決擴(kuò)展散熱翅片面上出現(xiàn)的溫度不均勻難題。

1 吹脹型鋁質(zhì)均熱板實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

1.1 吹脹型鋁質(zhì)均熱板的結(jié)構(gòu)與原理

吹脹型鋁質(zhì)均熱板板面上分為吹脹通道區(qū)域(突起區(qū)域)與冷焊區(qū)域(平滑區(qū)域)，如圖1所示。吹脹通道區(qū)域即為均熱板氣液通道，吹脹通道充注有相變工質(zhì)。通道內(nèi)的液體遇熱蒸發(fā)，導(dǎo)致氣壓增大，從而與溫度較低區(qū)域形成壓差，帶動氣態(tài)工質(zhì)流動，并在低溫區(qū)域液化放熱，達(dá)到均溫的效果。

圖1 吹脹型鋁質(zhì)均熱板的結(jié)構(gòu)(單位：mm)Fig.1 Structure of RAVC(Unit:mm)

1.2 吹脹型鋁質(zhì)均熱板的制造工藝

吹脹型鋁質(zhì)均熱板采用先抽真空再灌注法制造[13]，密封方式為冷焊后再交流氬弧焊接，其工藝流程如圖2所示，具體制造過程如下：①通過板殼引出的6 mm銅鋁管將通道內(nèi)不凝性氣體抽除至腔體內(nèi)壓力為3 Pa以下，后灌入相變工質(zhì)HFO-1336mzzZ，該過程的完成質(zhì)量直接影響吹脹型鋁質(zhì)均熱板的傳熱性能；②在吹脹通道出口處使用密封模具冷焊密封并切除引出通道，該過程要確保雜氣無法進(jìn)入吹脹型鋁質(zhì)均熱板的氣液通道；③在切口處進(jìn)行焊接，焊接質(zhì)量直接影響吹脹型鋁質(zhì)均熱板的使用壽命。制作吹脹型鋁質(zhì)均熱板所使用工質(zhì)為HFO-1336mzzZ，其物性參數(shù)如下：相對分子質(zhì)量為164，沸點(diǎn)為33 ℃，液相密度(20 ℃時)為1.358 g/cm3，蒸發(fā)潛熱為164 J/g，黏度為0.34 mPa·s，與鋁的相容性較佳。

1.3 吹脹型鋁質(zhì)均熱板的傳熱性能實(shí)驗(yàn)

吹脹型鋁質(zhì)均熱板的傳熱性能實(shí)驗(yàn)裝置如圖3所示，包括加熱裝置、冷卻裝置、隔熱夾緊裝置及數(shù)據(jù)采集裝置。加熱裝置由加熱銅塊與程控電源組成，冷卻裝置由冷卻銅塊與恒溫水箱組成。隔熱夾緊裝置包括絕熱電木和PU塊，用G型夾加緊，隔絕測試系統(tǒng)與外界環(huán)境的熱交換，保證均熱板與冷熱源良好接觸。數(shù)據(jù)采集裝置由K型熱電偶與溫度采集卡組成。實(shí)驗(yàn)測試時，實(shí)驗(yàn)裝置根據(jù)測試工況擺放，吹脹型鋁質(zhì)均熱板與加熱銅塊和冷卻銅塊的接觸面積為70 mm×100 mm，接觸面涂抹一層均勻的導(dǎo)熱硅脂以保證接觸。實(shí)驗(yàn)采取采集多點(diǎn)取平均值的方式來得到均熱板各區(qū)域的溫度，具體測溫點(diǎn)分布如圖3所示。

圖2 吹脹型鋁質(zhì)均熱板樣品的制作過程Fig.2 Fabrication process of RAVC samples

圖3 吹脹型鋁質(zhì)均熱板的傳熱性能實(shí)驗(yàn)裝置(單位：mm)Fig.3 Thermal experimental setup of RAVC(Unit:mm)

冷凝段平均溫度(TC)、絕熱段平均溫度(TA、TB)及蒸發(fā)段平均溫度(TH)分別為

(1)

(2)

(3)

(4)

蒸發(fā)段與冷凝段的溫度差為

ΔT=TH-TC

(5)

實(shí)驗(yàn)測試時，從初始溫度25 ℃開始以設(shè)定功率P加熱，并開始記錄各點(diǎn)溫度，當(dāng)各點(diǎn)溫度達(dá)到平衡、穩(wěn)定(30 s內(nèi)溫度變化小于0.5 ℃)時停止加熱，可認(rèn)為此時各點(diǎn)溫度為穩(wěn)態(tài)溫度，待系統(tǒng)各點(diǎn)溫度冷卻至初始溫度后進(jìn)行下一組實(shí)驗(yàn)。對于溫度突變區(qū)間，每隔2 W增加一組數(shù)據(jù)點(diǎn)。每組實(shí)驗(yàn)重復(fù)3次，取3次記錄數(shù)據(jù)的平均值，以提高實(shí)驗(yàn)精度和測試數(shù)據(jù)的可靠性。

吹脹型鋁質(zhì)均熱板的熱阻RVC以及導(dǎo)熱系數(shù)Keff為

RVC=ΔT/P

(6)

Keff=L/(RVCA)

(7)

其中冷熱源間距L為300 mm，計(jì)算得出均熱板橫截面積A為181.6 mm2。

2 吹脹型鋁質(zhì)均熱板傳熱理論

圖4為依照吹脹型鋁質(zhì)均熱板正常工作情況下分析得到的熱阻圖。其中Rct1為熱源接觸熱阻，Rct2為冷源接觸熱阻，RAlt為管道壁厚產(chǎn)生的熱阻，RAl為加熱端與冷卻端間鋁壁產(chǎn)生的熱阻，Reva、Rflow、Rcon分別為腔體內(nèi)蒸發(fā)熱阻、流動產(chǎn)生的熱阻及冷凝熱阻。 由吹脹型鋁質(zhì)均熱板的熱阻圖可得總熱阻RVC為

RVC=Rct1+Rct2+2RAlt+RC

(8)

(9)

一般情況下，Reva、Rflow、Rcon的總和遠(yuǎn)小于RAl，這也是均熱板性能遠(yuǎn)優(yōu)于金屬材料的主要原因。

由于沒有吸液芯結(jié)構(gòu)，吹脹型鋁質(zhì)均熱板的傳熱過程與重力熱管相似。李鑫[14]研究了重力熱管在不同工況下的傳熱特性，分析了工質(zhì)在蒸發(fā)段與冷凝段不同狀態(tài)下對傳熱性能的影響。Reva和Rcon主要受蒸發(fā)段和冷凝段液態(tài)工質(zhì)量的影響，工質(zhì)過多或過少都將導(dǎo)致性能下降。Rflow主要受工質(zhì)流動阻力的影響，管道尺寸、工質(zhì)運(yùn)動黏度、管道與工質(zhì)間摩擦及管道內(nèi)部壓差等因素也會造成一定的影響。

根據(jù)均熱板的一般使用場景，均熱板使用工況可以分為順重力、水平及逆重力3種，如圖5所示。

工質(zhì)工作時發(fā)生氣液相變，流動方向隨密度變化而改變。當(dāng)熱源位于冷源下方時，重力有助于液態(tài)工質(zhì)流動，該種工況稱為順重力工況，反之則稱為逆重力工況。當(dāng)冷熱源位于同一水平面上時，重力對工質(zhì)在冷熱源間流動的影響較小，該種工況稱為水平工況。不同工況會影響液態(tài)工質(zhì)的回流能力，進(jìn)而影響吹脹型均熱板的Reva和Rcon。

圖4 吹脹型鋁質(zhì)均熱板的熱阻圖Fig.4 Thermal resistance of RAVC

圖5 吹脹型鋁質(zhì)均熱板的3種工況Fig.5 Three working conditions of RAVC

吹脹型鋁質(zhì)均熱板的充注率η定義為

(10)

式中，Vi為充注工質(zhì)的體積，Vo為吹脹型鋁質(zhì)均熱板氣液通道的總體積(約為23 mL)。

張?jiān)品宓萚15]對比分析了重力熱管在不同工質(zhì)充注率下的性能變化，發(fā)現(xiàn)在各個功率下，都存在一個最佳工質(zhì)充注率,使重力熱管的傳熱性能最優(yōu)，過高或過低的充注率都會降低熱管的傳熱性能。根據(jù)熱阻分析結(jié)果可知，吹脹型鋁質(zhì)均熱板也呈現(xiàn)出與重力熱管相近的規(guī)律。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 測試誤差與不確定度分析

對于本實(shí)驗(yàn)，直接測量量為均熱板上各點(diǎn)的溫度，而熱阻與導(dǎo)熱系數(shù)為間接測量量。對于實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，需要通過重復(fù)測量剔除系統(tǒng)誤差、粗大誤差等來提高結(jié)果的精度，保證測量結(jié)果可靠。

3.1.1 測試誤差分析

根據(jù)式(6)與式(7)，熱阻與導(dǎo)熱系數(shù)為關(guān)于溫差與功率的函數(shù)。根據(jù)Mcclintockfa[16]提出的測試誤差理論，文中測量均熱板熱阻的相對測量誤差可表示為

(11)

式中，E(RVC)為均熱板熱阻的測量誤差，ETi為與熱阻、導(dǎo)熱系數(shù)計(jì)算相關(guān)的第i個測溫點(diǎn)的最大測量誤差，n為測溫點(diǎn)數(shù)。本實(shí)驗(yàn)中功率和溫度的最大測量誤差分別為0.01 W和0.26 ℃。經(jīng)過計(jì)算可得E(Keff)=E(RVC)。相對測量誤差分布如圖6所示，其值較小，且隨著測試功率的增大而減小，可滿足實(shí)驗(yàn)精度要求。

圖6 吹脹型鋁質(zhì)均熱板的相對測量誤差Fig.6 Relative measurement errors of RAVC

3.1.2 不確定度分析

(12)

(13)

(14)

采用展伸不確定度評定，置信概率為95%。由υ=2，查表得tp=4.3，則熱阻相對不確定度為

(15)

3.2 順重力工況下的傳熱性能分析

3.2.1 傳熱功率分析

本次實(shí)驗(yàn)針對充注率η為5%～45%的均熱板進(jìn)行傳熱性能研究，分別記錄順重力工況下傳熱功率P從10 W變化到110 W時蒸發(fā)段與冷凝段的溫度，再根據(jù)溫差與功率以及均熱板的幾何尺寸計(jì)算出均熱板的導(dǎo)熱系數(shù)，結(jié)果如圖7所示。

圖7 順重力工況不同充注率下RAVC的導(dǎo)熱系數(shù)

Fig.7 Effective thermal conductivities of RAVC under gravity working condition at different filling ratios

過低的充注率會導(dǎo)致蒸發(fā)段得不到足夠回流的液態(tài)工質(zhì)，容易達(dá)到干涸極限，從而大幅提高Reva的值，均熱板性能急劇下降。當(dāng)η=5%、P≤50 W時，熱阻較低；當(dāng)η=5%、P≥60 W時，均熱板內(nèi)工質(zhì)的量無法滿足工質(zhì)循環(huán)，達(dá)到干涸極限，均熱板導(dǎo)熱系數(shù)急劇下降。

當(dāng)充注率過高時，蒸發(fā)段工質(zhì)容易堆積，蒸發(fā)效率降低，Reva大幅提高，均熱板的性能下降。從圖7可以看出：當(dāng)η=20%、P=80 W時導(dǎo)熱系數(shù)大幅下降，已達(dá)到干涸極限；當(dāng)η=25%且80 W≤P≤100 W時，均熱板的傳熱性能較佳且未達(dá)到干涸極限；當(dāng)η≥40%且P≤110 W時均熱板的導(dǎo)熱系數(shù)大幅降低。其原因是：工質(zhì)充注量過多時，液態(tài)工質(zhì)占據(jù)過多腔內(nèi)空間，從而嚴(yán)重阻礙工質(zhì)蒸發(fā)和流動，干擾均熱板內(nèi)部的正常傳熱循環(huán)，影響傳熱。

經(jīng)分析可知，存在一個最佳充注率，使蒸發(fā)段工質(zhì)的蒸發(fā)量與回流量達(dá)到平衡，均熱板的傳熱性能達(dá)到最佳。在順重力工況下，吹脹型鋁質(zhì)均熱板的最大傳熱功率點(diǎn)(即熱阻最低點(diǎn))隨著充注量的增加而上升。當(dāng)η=10%、P=60 W時，吹脹型鋁質(zhì)均熱板的熱阻RVC最小，為0.083 K/W，導(dǎo)熱系數(shù)Keff=19 900 W/(m·K)。對比順重力工況下超薄銅質(zhì)均熱板的導(dǎo)熱系數(shù)12 000 W/(m·K)[3]、鋁擠型鋁質(zhì)均熱板的導(dǎo)熱系數(shù)8 540 W/(m·K)[19]可知，吹脹型鋁質(zhì)均熱板在順重力工況下具有較為明顯的傳熱性能優(yōu)勢。

當(dāng)傳熱功率變化時，根據(jù)熱阻分析，吹脹型鋁質(zhì)均熱板的最佳充注率也隨之變化。由于單位體積工質(zhì)的氣液相變潛熱一定，理論上說，傳熱功率越大時，單位時間內(nèi)所需蒸發(fā)工質(zhì)的量也隨之增加。據(jù)此可以預(yù)測，當(dāng)傳熱功率提高時，吹脹型鋁質(zhì)均熱板的最佳充注率也將提高?？梢钥闯觯寒?dāng)10 W≤P≤30 W時，最佳充注率為η=5%；當(dāng)傳熱功率上升到40 W≤P≤60 W時，最佳充注率上升到η=10%，且隨著傳熱功率的上升，最佳充注率也繼續(xù)上升。

3.2.2 低功率啟動震蕩現(xiàn)象分析

對于均熱板，工質(zhì)需要被加熱到有一定過熱度才能開始穩(wěn)定沸騰，導(dǎo)熱系數(shù)大幅上升并穩(wěn)定，此時均熱板啟動[20]。對于吹脹型鋁質(zhì)均熱板，由于氣液通道結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，均熱板啟動特性相比其他均熱板更為復(fù)雜，尤其是在較高充注量與較低傳熱功率時。

圖8 η=25%、P=10 W下RAVC的溫度-時間曲線

Fig.8 Temperature-time curves of RAVC whenη=25% andP=10 W

根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析，吹脹型鋁質(zhì)均熱板出現(xiàn)啟動震蕩現(xiàn)象的主要原因是氣液通道較為復(fù)雜，充注量高時容易發(fā)生液態(tài)工質(zhì)流通不暢，工質(zhì)穩(wěn)定循環(huán)難以建立。為保證水冷工況下均熱板的傳熱性能，可適當(dāng)減小充注率，簡化氣液通道的設(shè)計(jì)。

3.3 水平與逆重力工況下的傳熱性能分析

根據(jù)均熱板的熱阻理論，在順重力工況下，受重力的影響，蒸發(fā)段液態(tài)工質(zhì)回流量與蒸發(fā)量更容易平衡。而在水平工況與逆重力工況下，液態(tài)工質(zhì)更難依靠重力回流，Reva隨之上升，此時性能較順重力工況下低。在逆重力工況下，冷凝段液態(tài)工質(zhì)甚至因?yàn)橹亓Χ诶淠畏e攢，導(dǎo)致Rcon上升。根據(jù)以上理論分析可預(yù)測：吹脹型鋁質(zhì)均熱板在水平和逆重力工況下的傳熱性能會大幅下降。

在水平與逆重力工況的性能實(shí)驗(yàn)中，針對充注率η從5%變化到45%，分別記錄P取5、10和15 W時各測點(diǎn)的溫度。通過對測試結(jié)果進(jìn)行計(jì)算，吹脹型鋁質(zhì)均熱板在這兩種工況下的性能確實(shí)大幅下降，熱阻分布在2.0～2.7 K/W之間，對應(yīng)的導(dǎo)熱系數(shù)在611～826 W/(m·K)之間，且與充注率不形成明顯的規(guī)律。其原因是均熱板在這兩種工況下的傳熱性能差，測試功率低，而測試條件無法保證絕對絕熱，難以看出不同充注率條件下較明顯的傳熱性能差別。相比超薄銅質(zhì)均熱板在水平與逆重力工況下的導(dǎo)熱系數(shù)均為12 000 W/(m·K)[3]、鋁擠型鋁質(zhì)均熱板在水平工況下的導(dǎo)熱系數(shù)為3 150 W/(m·K)[6]，由于吹脹型鋁質(zhì)均熱板內(nèi)部無毛細(xì)結(jié)構(gòu)，故其在水平與逆重力工況下的傳熱性能明顯劣于其他均熱板。

圖9為η=10%時吹脹型鋁質(zhì)均熱板在P=5 W下的熱阻-時間曲線，其中RVCa和RVCh分別為逆重力工況和水平工況下的熱阻?？梢钥闯觯孩贉囟冗_(dá)到平衡需要的時間較長，傳熱性能較差；②兩曲線有一交點(diǎn)，在此交點(diǎn)前RVCaRVCh，原因是水平工況下工質(zhì)回流量稍高于逆重力工況下，且逆重力工況下冷凝段的液態(tài)工質(zhì)易堆積。

圖9η=10%、P=5W時吹脹型鋁質(zhì)均熱板在水平與逆重力工況下的熱阻-時間曲線

Fig.9 Thermal resistance-time curves of RAVC under horizontal and anti-gravity working conditions whenη=10% andP=5 W

4 結(jié)論與展望

文中研制了一種新的吹脹型鋁質(zhì)均熱板，并通過實(shí)驗(yàn)探討均熱板的傳熱性能，得出以下主要結(jié)論:

(1)在順重力工況下，吹脹型鋁質(zhì)均熱板在充注率η=10%時可以發(fā)揮出最佳的傳熱性能，傳熱功率P=60 W時熱阻RVC=0.083 K/W，導(dǎo)熱系數(shù)Keff=19 900 W/(m·K)。當(dāng)η=5%、P≥60 W時，發(fā)生燒干現(xiàn)象；當(dāng)η≥40%時均熱板的傳熱效率降低。

(2)在較高充注率(η≥25%)和較低傳熱功率(P≤10 W)下，由于吹脹型鋁質(zhì)均熱板的內(nèi)部氣液通道較為復(fù)雜，容易出現(xiàn)啟動震蕩現(xiàn)象，嚴(yán)重影響均熱板的性能，因此，可通過適當(dāng)減少充注率和簡化氣液通道的結(jié)構(gòu)來改善均熱板的性能。

(3)在水平工況與逆重力工況下，吹脹型鋁質(zhì)均熱板的傳熱性能大幅下降，熱阻在2.0～2.7 K/W之間波動，與充注率不形成明顯的關(guān)聯(lián)規(guī)律。逆重力工況下均熱板的啟動性能略優(yōu)于水平工況下，但趨于穩(wěn)定時傳熱性能更差。

文中提出的吹脹型鋁質(zhì)均熱板結(jié)構(gòu)有望應(yīng)用于未來電動汽車動力電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)以及8 K電視背光源散熱結(jié)構(gòu)中。