热管冷板冷却性能实验研究*

钱吉裕，李金旺，战栋栋

(南京电子技术研究所， 江苏 南京 210039)

热管冷板冷却性能实验研究*

钱吉裕，李金旺，战栋栋

(南京电子技术研究所， 江苏 南京 210039)

文中通过实验研究了热管冷板在不同热流密度下的冷却性能。结果表明：当热流密度为16.7 W/cm2、29.6 W/cm2和46.3 W/cm2时，用热管冷板取代普通冷板能使热源的平均温度分别降低1.0 ℃、4.2 ℃和12.5 ℃，同一组件上不同热源的温度差异分别减小1.4 ℃、1.4 ℃和1.7 ℃。在未来高热流密度的雷达冷却场合，采用热管冷板取代现有的普通冷板，有望取得可观的冷却效果。

冷却；冷板；热管

引 言

在雷达系统中，为了方便安装和维护，冷却介质(特别是液体介质)一般不直接与电子组件接触，而是只在冷板内流动。所谓冷板，就是一种特殊的换热器，其内部包含流道，工作时内部流道内的流体与冷板进行热交换。组件工作时产生的热量通过模块的壳体传导给冷板的壳体，再由冷板的壳体通过对流换热的方式传给冷却介质，然后通过冷却介质的流动和循环被带走[1]。

热管是传热领域在上个世纪的最重要的发明之一，它利用相变潜热进行热量传递，其当量导热系数较常见金属的导热系数大得多，在电子设备冷却等方面具有很大的应用前景，引起了大量学者的关注[2-3]。将热管应用在雷达设备冷却中，有望取得很好的效果，前人在此方面也进行了一定的研究，但多数以仿真分析为主，实验研究并不多[4-8]。将热管集成在冷板内部，可提高冷板的导热性能，尤其能提高冷板的均温性，对此，文献[9]～[11]对热管冷板进行了研究，结果表明热管冷板具有较好的性能，能够满足一定热流密度的散热要求。

本文对热管冷板在不同热流密度下的冷却性能进行了研究，为进一步研究热管冷板在雷达冷却中的应用提供参考。

1 试验方法与条件

文中设计和加工了2种冷板：一种是普通的冷板，一种是在普通的冷板壳体上嵌入热管，热管在冷板上的位置布局如图1所示。热源通过加热电阻产生，单个电阻的阻值为100 Ω，截面面积为0.54 cm2，不同热流密度的工况通过改变加在电阻上的电压值获得，各工况的参数见表1。所有工况供液温度均为27 ℃，供液流量均为40L/h，冷却介质均为65%乙二醇水溶液。此试验的温度采用NEC H2640型红外热像仪进行测试，试验系统如图2所示。加热电阻焊接在组件上，组件通过压接与冷板相连接，冷板的进出口分别与末端冷却机组的供、回液管路相连。

图1 热管在冷板上的位置布局

参数工况1工况2工况3电压/V304050热耗/W91625热流密度/(W·cm-2)16．729．646．3

图2 试验系统示意图

2 试验结果与讨论

2.1 较低热流密度的情况(工况1)

在组件、冷却液参数和热流密度(16.7 W/cm2)相同的条件下，分别采用普通冷板和热管冷板进行冷却，试验结果如图3所示。从试验结果可以看出：左边4个热源的平均温度为44.1 ℃, 温度差异为4.4 ℃;右边4个热源的平均温度为43.1 ℃, 温度差异为3 ℃。由此可见，在此种热流密度条件下，以热管冷板替代普通冷板的温度改善效果为1 ℃, 温度差异缩小了1.4 ℃。

图3 较低热流密度情况下的温度对比

2.2 中等热流密度的情况(工况2)

在组件、冷却液参数和热流密度(29.6 W/cm2)相同的条件下，分别采用普通冷板和热管冷板进行冷却，试验结果如图4所示。从试验结果可以看出：左边4个热源的平均温度为67.1 ℃，温度差异为10.5 ℃；右边4个热源的平均温度为62.9 ℃，温度差异为9.1 ℃。由此可见，在此种热流密度条件下，以热管冷板替代普通冷板的温度改善效果为4.2 ℃，温度差异缩小了1.4 ℃。

图4 中等热流密度情况下的温度对比

2.3 较高热流密度的情况(工况3)

在组件、冷却液参数和热流密度(46.3 W/cm2)相同的条件下，分别采用普通冷板和热管冷板进行冷却，试验结果如图5所示。从试验结果可以看出：左边4个热源的平均温度为93.4 ℃，温度差异为16.0 ℃；右边4个热源的平均温度为80.9 ℃，温度差异为14.3 ℃。由此可见，在此种热流密度条件下，以热管冷板替代普通冷板的温度改善效果达12.5 ℃，温度差异缩小了1.7 ℃。需要指出的是，此实验中以热管冷板替代普通冷板时不同芯片的温度差异减小得并不十分明显，因为热管的布置方向与芯片排列的方向是垂直的。如果热管的布置方向与芯片排列的方向平行(热管在芯片的正下方)，芯片的温度一致性就有望得到明显的提升。

图5 较高热流密度情况下的温度对比

从以上结果可以看出，当热流密度为16.7 W/cm2时，热管冷板与普通冷板相比，优势不是很明显；随着热流密度的增大，热管冷板较普通冷板的优势就越明显，当热流密度达到29.6 W/cm2以上时，使用热管冷板能够使热源的平均温度降低4.2℃；当热流密度达到46.3 W/cm2时，使用热管冷板能够使热源的平均温度降低12.5 ℃。在未来高热流密度的雷达冷却场合，采用热管冷板取代现有的普通冷板，有望取得可观的冷却效果。

3 结束语

热管是一种高效传热元件，热管与传统冷板相结合得到的热管冷板，因其等效导热系数比冷板基体材料的导热系数高得多，因而其整体传热性能得到了提高。未来雷达系统的热流密度会有较大提高，传统的冷板将难以满足其使用要求，热管冷板将成为一种可行的选择，尤其是在地面雷达和舰载雷达的场合，因为这些场合对反重力运行的要求不高。热管冷板可以降低芯片的温度以及不同芯片之间的温度梯度，使用热管冷板的系统可以接受更高温度的冷却液，因此，热管冷板在未来有望广泛应用在雷达系统的冷却当中。

[1] 李金旺，钱吉裕. 固态T/R 组件的热扩展与冷却特性[J]. 现代雷达, 2013, 35(增刊): 532-534.

[2] MOCHIZUKI M, NGUYEN T, MASHIKO K, et al. A review of heat pipe application including new opportunities[J]. Frontiers in Heat Pipes, 2011, 2(1): 031001.

[3] FILIPPESCHI S. Comparison between miniature periodic two-phase thermosyphons and miniature LHP applied toelectronic cooling equipment[J]. Applied Thermal Engineering, 2011, 31(5): 795-802.

[4] 梅启元. 热管在雷达散热上应用的可行性研究[J]. 电子机械工程, 2007, 23(1): 17-19.

[5] 秦灏卿. 热管在机载雷达中的应用研究[J]. 电子机械工程, 2007, 23(2): 26-28.

[6] 曹良强, 吴钢, 王怀. 相控阵雷达T/R组件冷却仿真研究[J]. 低温与超导, 2008, 36(8): 37-40.

[7] 吴钢, 曹良强, 黄平, 等. 舰船雷达T/R组件热管冷却的仿真与实验验证[J]. 武汉理工大学学报: 交通科学与工程版, 2009(3): 475-478.

[8] 杨双根. 固态组件冷板热扩展体性能分析[J]. 雷达科学与技术, 2009(3): 240-244.

[9] 马哲树, 姚寿广, 明晓. 新型热管冷板传热性能的试验研究[J]. 南京航空航天大学学报, 2004, 36(2): 169 -173.

[10] 姚寿广, 马陈. 一种新型结构的热管式散热冷板性能的数值模拟试验与分析[J]. 中国电机工程学报, 2005, 25(7): 41-45.

[11] 余莉, 韩玉, 曹业玲, 等. 电子设备散热用平板式热管的实验研究[J]. 南京航空航天大学学报, 2008, 40(5): 627-631.

Experiment Study on Cooling Performance of Heat Pipe Cold Plate

QIAN Ji-yu，LI Jin-wang，ZHAN Dong-dong

(NanjingResearchInstituteofElectronicsTechnology,Nanjing210039,China)

The cooling performance of heat pipe cold plate with different heat fluxes is studied by experiment in this paper. The result shows that using heat pipe cold plate instead of common cold plate can make the average temperature of the heat sources drop by 1.0 ℃, 4.2 ℃ and 12.5 ℃ respectively, and make the maximum temperature differences of different heat sources in the same module reduce by 1.4 ℃, 1.4 ℃ and 1.7 ℃ respectively when the heat fluxes are 16.7 W/cm2, 29.6 W/cm2and 46.3 W/cm2. The cooling performance will be improved a lot using heat pipe cold plate instead of common clod plate in the future radar thermal management.

cooling; cold plate; heat pipe

2014-04-15

TK414

A

1008-5300(2014)03-0010-02