热管式密闭电子设备元件散热实验研究

周景民 王晓丽

(1:吉林建筑工程学院学生工作处，长春 130118;2:吉林建筑工程学院职业技术学院，长春 130118)

0 引言

对于大功率密闭电子设备，强制对流热管散热器是解决其电子元件散热最有效的途径［1-2］，热管散热器二次间壁特点，是将密闭电子设备结构分成内外两个空间，热管散热器蒸发段安装在电子设备柜内，与电子设备柜形成内循环;冷凝段安装在设备柜外，与外界大气组成外循环;内外循环的热量传递通过热管内工作介质实现.热管蒸发段内工作介质将柜内空气热量吸收降温，然后再将冷空气送入柜内进入内循环.热管蒸发段内的工作介质吸热后蒸发，到达热管冷凝段.在冷凝段，环境中的冷空气被吸入，吸取热管热量并升温，然后再排入大气环境中.

通过上述的换热过程，实现将密闭电子设备柜内的热量传递到外部环境中而与环境大气没有任何气体交换;从而达到了在实现调节柜内温度，同时起到了防止灰尘、油雾、水蒸气等会被气流带进设备内而滋生污染的效果［3］.

1 热管电子设备散热实验研究

为了测量电子元件表面温度，以及密闭空间温度，建立热管式密闭电设备综合性能测试系统装置，装置结构如图1所示.

本实验系统由三部分组成:热管散热装置、密闭电子设备装置、实验数据测试系统.在热管换热器蒸发段出口位置处设置一10 mm厚、500 mm宽、950 mm高的绝热板，将密闭空间分隔成两个通道，形成封闭内循环空气回路.在热管换热器蒸发段入口侧通道设置不同功率的发热元件模拟电子元件.电子元件发热量为500 W，根据传热学公式计算得到壳体散热大约在250 W左右，需热管换热器散热大约250 W左右.

试验中，所有的温度都通过E型镍铬-康铜热电偶测量，热电偶通过冰点校准，随机波动在0.1℃以内.各热电偶通过补偿导线和接线柱引接到惠普测温仪，将惠普测温仪HP-34970 A和计算机串接，通过计算机来存储记录试验数据;加热段与冷凝段的空气流量采用ZRQF-J型智能风速仪测量，采用岩棉保温的方法来减少风管散热损失.

图1 热管式密闭电设备综合性能测试系统装置示意图

2 密闭空间内电子元件优化布局实验测量值与数值模拟值对比分析

2.1 无热管换热器条件下密闭空间内温度分布及电子元件表面温度分布

图2、图3表明:密闭电子设备在没有换热条件下，其内部电子元件工作环境非常恶劣.如图2所示，功率为250 W元件整体布置时，表面温度达到450℃以上.随元件数量增加，元件表面温度下降，但温度仍高于元件允许温度.此外如图3所示，密闭空间内温度随着时间的推移，工作温度亦不断提高，均超过元件允许的工作温度，且有继续上升趋势.因此，密闭电子设备高效热设计势在必行.

图2 电子元件表面温度随时间变化曲线

图3 密闭空间内温度随时间变化曲线

2.2 热管式密闭空间内温度分布及电子元件表面温度分布

2.2.1 功率为250 W电子元件不同位置整体布局时温度场分析

图4与图5为电子元件不同位置整体布置时表面温度与密闭空间内流体工作温度的实验测量值，图6与7为电子元件不同位置整体布置时表面温度与空间内工作温度的市值计算值.在热管换热器换热条件下，实验测得环境温度为21℃，室内通风良好，密闭空间内气体质量流速为0.1 kg/s.发热元件放置在设备中间位置时其表面温度为262℃(535 K)低于出口放置时的表面温度329℃(602 K)，这一结果与理论分析一致.与图7与图8所示的数值模拟计算值比较:在边界条件相同情况下，模拟值与实验测量值基本吻合，试验测量值稍低于模拟计算值，误差在10%左右.其原因主要是试验条件下，发热元件由电阻丝模拟电子元件所致.

图4 电子元件不同位置整体布置表面最高温度随时间变化

图5 不同位置整体布置密闭空间内最高温度随时间变化

图6 元件表面最高温度及空间内流体温度场变化数值模拟值

图7 元件表面最高温度及空间内流体温度场变化数值模拟值

2.2.2 功率为250 W均分4等份电子元件均匀布置时温度场分析

图8与9功率为250 W均分4等份电子元件均匀布置时元件表面温度与密闭空间内流体工作温度的实验测量值，图10为250 W均分4等份电子元件均匀布置时元件表面温度与空间内工作温度的市值计算值.在热管换热器换热条件下，实验测得环境温度为18℃，密闭设备内气体质量流速为0.09 kg/s.测得250 W均分4等份电子元件均匀布置时元件表面温度117℃(390 K)，达到元件允许的温度，这一结果与理论分析一致.模拟值与实验测量值基本吻合，试验测量值较数值模拟小，误差15%左右.

图8 电子元件均与布置元件表面温度随时间变化曲线

图9 电子元件均与布置密闭空间温度场随时间变化曲线

两种不同放置情况下，设备内流体工作温度基本相同，最高达34℃，远低于设备允许的温度.结合以上研究结果，热管换热器用于密闭电子设备散热优势较明显.采用数值方法对设备内电子元件进行优化设计，不仅能够快速预测设备参数的影响，而且快速制定设备优化设计方案.

图10 电子元件均匀布置时元件表面最高温度及空间内流体温度场变化数值模拟值

3 结论

本文建立热管式密闭电子设备综合性能测试系统试验台.通过数值模拟结果与实验测量结果对比分析，得出以下结论:

(1)电子元件整体布置在流体入口处与出口处时元件表面温度较高，这是由于对流边界热阻高于等温边界热阻的缘故.因此，电子元件整体布置时，应尽量将元件放置在等温边界，即设备中间部位;

(2)密闭电子设备内流体质量流速、流体进口温度、环境空气自然对流换热系数的影响较大，而外界环境温度的影响较小;

(3)数值分析结果与实验测量结果基本吻合，其结果为密闭电子设备的热设计提供了优化和改进的参考，从而使元件的结温(表面温度)及密闭空间内元件工作温度得到更好的控制.

［1］姚寿广，马哲树.电子电器设备中高效热管散热技术的研究现状及发展［J］.华东船舶工业学院学报，2003，17(4):9-12.

［2］庄 骏，张 红.热管技术及其工程应用［M］.北京:化学工业出版社，2000:355-359.

［3］王 萌.高密度密闭电子设备热设计及结构优化研究［D］.西安:西安电子科技大学，2007.