一种均温板低温起动性能试验研究*

战栋栋，钱吉裕，朱 斌

(南京电子技术研究所， 江苏 南京 210039)

引 言

近年，电子技术飞速发展，电子器件集成度越来越高，尤其是GaN等三代半导体的应用，使得功率芯片热耗成倍增加，对散热提出了更高的要求，需采用新型高导热材料或高效传热元件替代传统的铜、铝等材料，提升散热能力。热管是一种高效的相变传热元件，具有高导热性、优良的等温性[1]等优点，尤其铜-水热管，具有优良的传热性能，已广泛应用于电子设备散热中，但在机载环境条件下的应用还未得到充分验证。机载产品低温环境为-55 ℃，在此温度下，铜-水热管起动为冷冻起动，内部工质为固态，热管起动需经过固态、液态、气态的转变过程。同时，由于热管冷凝段处于-55 ℃环境中，温度低于零度，冷凝的蒸汽有可能在冷凝段冻结，不能回流至蒸发段，导致热管起动失败。

国内外研究者研究了不同热管的起动性能，文献[2]研究了高温热管蒸发段和冷凝段长度对冷冻起动极限的影响；文献[3]研究了基于钛-水热管的辐射器起动性能；文献[4]建立了低温热管起动瞬态模型，并研究了低温热管起动性能；文献[5]研究了常温条件下热管导热板的传热性能及重力对传热性能的影响。

本文针对热管在未来机载产品高热流密度点热源散热中的应用，研究了铜-水热管均温板在机载产品低温环境下的起动性能，为热管在军用电子设备散热方面的设计应用提供参考。

1 试验系统

1.1 试验单元

热管均温板由铝基板和铜-水热管组成，尺寸为200mm×200mm×7mm，铜-水热管钎焊在铝基板内，铝基板正反两面各布置6根铜-水热管。热管长度180 mm，外径6 mm。

试验中采用厚膜电阻作为热源，共布置8个电阻，电阻焊接在壳体上，壳体与冷板之间通过螺钉连接。为减小接触热阻，壳体与冷板之间填充导热硅脂，导热硅脂型号为HZ-KS101。试验单元及热电偶布置位置如图1所示，在试验单元正面，发热电阻表面布置了3个热电偶；试验单元背面共布置了10个点，热管蒸发段5个点，冷凝段5个点。

图1 试验单元示意图

1.2 试验系统

试验系统示意如图2所示，直流电源为发热电阻供电，采用T型热电偶和数据采集仪测试记录温度，温度采集间隔时间为4 s。液冷源作为散热终端，电阻热量经热管传导到冷板处，由冷却液带至液冷源处散热。T型热电偶测量精度为±0.5 ℃，流量计测量精度为±1%。控制系统流量为200 L/h，试验过程中记录发热电阻表面温度、热管蒸发段温度、热管冷凝段温度及热管起动时间。

图2 试验系统示意图

2 试验结果及分析

机载产品主要有风冷(自然对流、强迫对流)和液冷两种冷却方式，针对两种不同的工况做了两组试验：一是环境温度-55 ℃，供液温度10 ℃，模拟机载液冷工况；二是环境温度-55 ℃，无液冷，自然散热，模拟机载风冷自然散热工况。

热管竖直放置，热源在上，冷凝段在下，如图1所示，液态工质需克服重力才能回流至蒸发段，此种工作状态最为恶劣，也最容易出现冷冻起动失败现象，因此，选择此种状态进行试验。

通过试验测试热管冷板表面温度的变化，确定热管冷板的起动时间。判断热管起动完毕的标准为热管温度上升后，蒸发段和冷凝段温度变化趋势相同。

2.1 液冷工况测试结果

测试了单点热耗分别为20 W和30 W，液冷，供液温度10 ℃条件下的热管起动温度及起动时间，如图3、图4所示。

图3 供液温度10 ℃的起动曲线(单点热耗20 W)

图4 供液温度10 ℃的起动曲线(单点热耗30 W)

环境温度-55 ℃，供液温度10 ℃，热管冷凝段温度维持在0 ℃左右，蒸发段温度维持在-15 ℃左右，有效改善了低温环境下热管的温度。为热源供电后热管温度迅速上升，单点热耗20 W，110 s后蒸发段温度变化趋势与冷凝段温度变化趋势基本相同，热管起动完毕；单点热耗30 W，90 s后蒸发段温度变化趋势与冷凝段温度变化趋势基本相同，热管起动完毕。可见，在此工况下，单点热耗越高，起动时间越短。

2.2 风冷自然散热工况测试结果

测试了单点热耗分别为20 W和30 W，自然散热条件下的热管起动温度及起动时间，如图5、图6所示。

图5 自然散热工况的起动曲线(单点热耗20 W)

图6 自然散热工况的起动曲线(单点热耗30 W)

环境温度-55 ℃，热管蒸发段、冷凝段起始温度均为-55 ℃，此时，热管内部工质为固态，开启电源，为电阻供电后，热管蒸发段的温度快速上升，冷凝段温度持续缓慢上升，在冷凝段温度升高至0 ℃以上后，热管内的工质融化，开始通过工质传热，当温度升高至约10 ℃，热管蒸发段温度变化趋势与冷凝段温度变化趋势基本相同，热管起动完毕。单点热耗20 W，起动时间约700 s；单点热耗30 W，起动时间约600 s。

可见，两种试验条件下热管的起动形式均为前端起动，即热管蒸发段温度首先上升，工质气化，运动到绝热段和冷凝段，使绝热段和冷凝段温度逐步升高，最后蒸发段温度变化趋势和冷凝段温度变化趋势接近，热管进入稳定工作状态。在-55 ℃低温环境条件下，两种工况的热管均能成功起动，验证了铜-水热管低温起动性能。

2.3 测试结果分析

试验结果表明，两种工况，不同热耗条件下，热管均起动成功，未出现冷冻起动失败现象，经分析，原因如下：

1)液冷工况。由于冷板供液温度为10 ℃，热管冷凝段温度较高，蒸发段受到电阻加热，温度也较高，仅绝热段处于低温状态，通过两端加热，很快热管温度上升，高于0 ℃，起动成功。

2)风冷自然散热工况。该工况起动条件较为恶劣，整根热管起始温度约-55 ℃，为改善低温起动性能，本文设计的热管均温板是由铝基板与热管组成，在热管不能正常工作的情况下，通过铝基板辅助热管传热，如图1所示。从图5、图6中可以看出，热管起动可分为3个阶段：起动初期(图5约150 s之前，图6约120 s之前)，此时，热管整体温度低于0 ℃，热管并未开始工作，铝基板和热管壳体为主要传热途径，将热量由热源处(热管蒸发段)传导至热管绝热段和冷凝段；起动中期(图5约450 s之前，图6约350 s之前)，热管蒸发段温度高于0 ℃，并持续上升，冷凝段温度低于0 ℃，此时，热管中的工质在蒸发段受热蒸发后运动到冷凝段，在冷凝段凝结，热管已经开始工作，但工质不能从冷凝段回流至蒸发段，此时，铝基板和热管同时工作，热量扩散速度较快，热源温度上升较为缓慢，冷凝段温度也不断上升；起动后期(图5约450 s ～ 700 s，图6约350 s ～ 600 s)，热管整体温度高于0 ℃，冷凝段的工质融化，可回流至蒸发段，此时主要依靠热管传热，蒸发段与冷凝段温度逐渐接近，直至达到稳定状态，热管起动完毕。从实验结果可以看出，起动的前半段主要依靠铝基板进行热传导，快速提升热管冷凝段温度，改善了热管的起动性能，避免了热管低温起动失败问题。同时，铝基板也使得热量能够快速扩散出去，散到低温环境中，避免了热管起动过程中热源超温。

3 结束语

本文在模拟机载低温条件下研究了热管的低温起动性能，结论为：1)本文设计的铝基板内埋热管均温板在-55 ℃低温条件，单点热耗20 W ～ 30 W，液冷和自然散热两种冷却方式下，热管均能正常起动，热源单点热耗越大，起动时间越短；2)液冷方式，环境温度-55 ℃，供液温度10 ℃，热管冷凝段温度维持在0 ℃左右，蒸发段温度维持在-15 ℃左右，热管起动时间约为90 s ～ 100 s；3)自然散热方式，热管蒸发段和冷凝段起始温度均约为-55 ℃，起动时间约为600 s ～ 700 s。