针对密闭结构高热流密度器件的高效散热器研究

张剑冰

摘要：散热器是高热量器件必备的，对于降低器件的温度、消除安全隐患具有重要的作用。本文从发明背景、本设备的相关参数和优势、具体使用方法三方面介绍这种专门针对密闭结构高热流密度器件的高效散热器，希望可以为大家提供可靠的建议。

Abstract： The radiator is the necessary accessory equipment of the high heat device， which plays an important role in reducing the temperature of the device and eliminating the hidden danger of safety. The author introduces this kind of high-efficiency radiator which is specially designed for the closed structure high heat flux device from three aspects： the background of the invention， the relevant parameters and advantages of the equipment， and the specific use method， hoping to provide reliable suggestions for you.

关键词：密闭结构;高热流密度器件;散热器

Key words： closed structure;high heat flux device;radiator

1  散热器的发展现状

随着高热流密度器件散发热量的增多，普通散热器很难满足需求。热管散热器与普通散热器不同的地方在于使用了热管，大大提高了热量的流动，从而提高了散热效率。高热流密度器件主要是为自热源到环境之间设置一条较低的热阻通路，这种装置的主要目的是控制温度，使高热流密度器件的温度保持在安全范围之内，使它在安全的温度范围内运作。21世纪以来，高热流密度器件被广泛应用于我国多个方面，多个领域。而针对高热流密度器件的散热器也在不断地研发和更新换代中。

2  高效散热器

2.1 散热器的主要组成部分

散热器设备主要针对的是密闭结构高热流密度器件，它主要是由受热组件、导热组件和散热组件共同组成，与热源直接接触的是受热组件，而与受热组件另一端相连的是导热组件，导热组件的另一端与散热组件相连接。导热组件主要采用热管，其工作原理为受热组件为主要接收热源装置，受热组件将接收的热量传到散热组件上，散热组件又将热量传给介质。[1]

2.2 散热器的基板和热管

在这些组件中，受热组件的主要成分为基板，基板的形状多种多样，最常见的有球面、弧面和平面，有些为了满足电子设备需要是不规则的。为了保持其受热面积的最大化，一般采用基本形状为平面。热管为直式热管，其形状主要为管状、柱状和片状。

2.3 散热器的散热片

散热器是将铜管作为原材料使用的，因为铜管的防腐蚀能力强，而且铜的导热性比较好，其耐氧化和碱腐蚀的性能优于其他用于散热器的金属材料。

散热片的导热性主要由接触面、导热材料和散热片的固定方式来影响的。发热件和散热片之间应保持大的接触面，使接触热阻降低。并且接触面的光洁度也要比较高。如果太过于粗糙，接触热阻相对较高，不利于散热。为了提高光洁度，会在散热片的中间涂抹导热脂。

2.4 散热器的填充物质

传统的散热器中填充的是金属液体，它可以在常温下是液态，也可以像水一样流动，但导热能力和比热容比传统的水和水蒸汽等导热介质高得多而且液态金属的粘度低、比热性良好，而且热导率很高，非常适用于热处理剂和热传导剂。设备设有驱动泵，驱动泵位于液体金属管道的上部，主要用来驱动液体金属管道内的液体金属流动。驱动泵可以根据设备所需灵活控制液体。

2.5 散热器的相关参数

图中1为受热面积较大的平面型基板，2为金属液体流动管道，图中的阴影部分为散热片，8为主管道，9、12、14、15、13为液体流动控制开关，主要控制金属液体的流动。

热流密度是衡量一个散热器设备的重要指标，金属热强度主要指金属散热器内的平均温度和室内空气温度相差1℃，每公斤质量的金属单位时间散发的热量。在重量相同的情况下，金属热强度的值越大，设备发散同样的热量所耗费的金属越少，结构相似的散热器散热量越大。[2]

2.6 高效散热器的优势

散热器采用整体锻造的加工方式将液态金属自循环冷板、吸热装置和液态金属管道连成一体，尽可能地降低系统热阻，导热效果较为理想;其次，液态金属与其他金属不同的地方在于它不易蒸发也不容易泄露，安全无毒，容易回收，对大自然的污染非常小。散热系统的使用寿命可以得到保障，运行稳定。而且这种散热器的液态金屬自循环管饭系统主要在盖板的外部，从而防止由于液体泄露渗透到设备内部从而短路的情况发生。液态金属散热器与传统水冷散热器相比，热量输送和极限散热能力更加强，因为液态金属的导热率远远高于水、空气等非金金属介质的导热率，所以热量输送效果更佳。本设备避免了传统散热器容易潮湿、容易产生霉菌的特点，因为设备中的冷风装置中的气流只吹向翅片，而并不吹向设备内部。所以防止因密闭设计与外面容易导致潮湿、霉菌的空气相互隔绝。而且散热器中的液态金属进入散热器后，从中心向四周流动，最后到达顶部出口流出散热器。[3]

本散热器使用特殊装置避开了散热底板温度不均匀的弊端。传统的散热器存在散热底板温度不均匀的情况。底板的平均温度在一定程度上是体现散热器散热效率的重要依据。距离底板的中心越远，其位置的温度越高，所以，边角位置的温度是散热器底板温度的最高值。在本设备中底板的边角处加设了倒流片，其目的就在于使散热器底板的温度分布更加均匀，避免因底板温度差异太大影响散热器的使用寿命。而且同一热流密度的情况下，冷却金属液体流量的增大，芯片温度降低的幅度越来越小。

3  具体使用方式

该散热器的工作原理为液态金属管饭形成一个回路，在液态金属管饭上设有专门用于吸收密闭空间中的发热器件散发热量的吸热装置。本设计充分利用液态金属的高导热性能和流动性，运用特殊驱动泵驱动驱动管道内的金属液体流动，从而形成一个循环式的热量传输系统。每当液态金属的热量被吸热装置吸收后，散热翅片和处于散热翅片下方的散热板一起对金属液体散热。并且在散热翅片和散热板的共同一侧专门设置了强迫冷风装置，主要用于对散热翅片和散热板的降温和散热，降温后的液态金属再重新流回吸热装置，接连不断地将热量带走，从而进一步加强对液态金属的散热效果，达到降低密闭结构高热流密度器件的温度的效果。（图2）

图2中1-3为散热组件，5-9为受热组件，4、10和11为导热组件，散热器中的液体可以从6-9所在位置通过管道运行到1-3所在位置，通过相关装置将热风散出去。

散热器的使用效果与安装工艺有很大关系，散热器安装时应当尽量增加主设备与散热器之间的接触面积，从而降低接触热阻，提高热量传送的效率。散热器在停止工作后如果自然冷却，应该使散热器的表面与水平面的方向平行。

高热流密度器件散热冷却方式主要可以分为两种，分别为被动式冷却和主动式冷却。被动式冷却指冷源温度比环境温度高的电气元件散热方式，被动式冷却又可以根据冷却介质的不同可分为液体冷却和空气冷却。被动液态冷却是将其内能直接转化成热能。随后将热能分散到各个结构，从而使内部与外部的热量不相上下，从而避免受热不均情况的发生，也不会影响高热流密度器件的使用年限。主动式冷却即冷源温度比环境温度低的一种散热方式。其主要工作原理是将芯片的温度降到和环境温度相差无几的状态下，提高器件的使用性能。主动性冷却的优势在于芯片温度比较低，其缺点在于消耗的能量高于被动式冷却。设备中的冷却系统属于主动式冷却;设备会带有温度计，这个温度计可以展现其内部温度，这样做有利于密切关注热工元件的运行状态。如果其运行不正常，表现为温度太高或者太低，就要停止运行，并及时找出电子元件的问题，采取相应措施解决问题，从而保障电子元件的运行状态是良好的。

对于这款散热器的接管方式来说，在相同一侧保持上进下出，在不同的兩侧，一般从上部进去下部出去，底部进去底部出去这三种接法。在相同一侧从下面进上年出，则会使散热量降低。本设备的接管方式主要为从不同的两侧，从上部进去下部出去，保持热量发散的最大化。在一般范围内，风速越大，发热流量越大，温度降低的速度越快;但超过一定峰值，发热流量反而会随着风速的提高而减弱。所以，发热流量的大小主要由适宜的风速决定，热流量越大，适宜的风速越大。本设备的风速是可以根据高密度器件所需的热流量进行调节，灵活满足器件所需。

4  结语

总而言之，本设备的功能和性能优于传统的散热器，最大程度避免了传统散热器的弊端，为密闭结构高热流密度电子器件的散热提供一些思路。

参考文献：

[1]陈萨如拉.高热流密度器件散热技术的研究进展[J].流体机械，2015，43（5）.

[2]杨雪，吕坤鹏.高热流密度热沉散热能力数值仿真分析[J].激光与红外，2018，48（1）.

[3]彭柯源，杨威.非均匀高热流密度对热电器件热应力的影响分析[J].能源与环境（能源技术），2015（4）.