針對密閉結構高熱流密度器件的高效散熱器研究

張劍冰

摘要：散熱器是高熱量器件必備的，對于降低器件的溫度、消除安全隱患具有重要的作用。本文從發明背景、本設備的相關參數和優勢、具體使用方法三方面介紹這種專門針對密閉結構高熱流密度器件的高效散熱器，希望可以為大家提供可靠的建議。

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.

關鍵詞：密閉結構;高熱流密度器件;散熱器

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

1? 散熱器的發展現狀

隨著高熱流密度器件散發熱量的增多，普通散熱器很難滿足需求。熱管散熱器與普通散熱器不同的地方在于使用了熱管，大大提高了熱量的流動，從而提高了散熱效率。高熱流密度器件主要是為自熱源到環境之間設置一條較低的熱阻通路，這種裝置的主要目的是控制溫度，使高熱流密度器件的溫度保持在安全范圍之內，使它在安全的溫度范圍內運作。21世紀以來，高熱流密度器件被廣泛應用于我國多個方面，多個領域。而針對高熱流密度器件的散熱器也在不斷地研發和更新換代中。

2? 高效散熱器

2.1 散熱器的主要組成部分

散熱器設備主要針對的是密閉結構高熱流密度器件，它主要是由受熱組件、導熱組件和散熱組件共同組成，與熱源直接接觸的是受熱組件，而與受熱組件另一端相連的是導熱組件，導熱組件的另一端與散熱組件相連接。導熱組件主要采用熱管，其工作原理為受熱組件為主要接收熱源裝置，受熱組件將接收的熱量傳到散熱組件上，散熱組件又將熱量傳給介質。[1]

2.2 散熱器的基板和熱管

在這些組件中，受熱組件的主要成分為基板，基板的形狀多種多樣，最常見的有球面、弧面和平面，有些為了滿足電子設備需要是不規則的。為了保持其受熱面積的最大化，一般采用基本形狀為平面。熱管為直式熱管，其形狀主要為管狀、柱狀和片狀。

2.3 散熱器的散熱片

散熱器是將銅管作為原材料使用的，因為銅管的防腐蝕能力強，而且銅的導熱性比較好，其耐氧化和堿腐蝕的性能優于其他用于散熱器的金屬材料。

散熱片的導熱性主要由接觸面、導熱材料和散熱片的固定方式來影響的。發熱件和散熱片之間應保持大的接觸面，使接觸熱阻降低。并且接觸面的光潔度也要比較高。如果太過于粗糙，接觸熱阻相對較高，不利于散熱。為了提高光潔度，會在散熱片的中間涂抹導熱脂。

2.4 散熱器的填充物質

傳統的散熱器中填充的是金屬液體，它可以在常溫下是液態，也可以像水一樣流動，但導熱能力和比熱容比傳統的水和水蒸汽等導熱介質高得多而且液態金屬的粘度低、比熱性良好，而且熱導率很高，非常適用于熱處理劑和熱傳導劑。設備設有驅動泵，驅動泵位于液體金屬管道的上部，主要用來驅動液體金屬管道內的液體金屬流動。驅動泵可以根據設備所需靈活控制液體。

2.5 散熱器的相關參數

圖中1為受熱面積較大的平面型基板，2為金屬液體流動管道，圖中的陰影部分為散熱片，8為主管道，9、12、14、15、13為液體流動控制開關，主要控制金屬液體的流動。

熱流密度是衡量一個散熱器設備的重要指標，金屬熱強度主要指金屬散熱器內的平均溫度和室內空氣溫度相差1℃，每公斤質量的金屬單位時間散發的熱量。在重量相同的情況下，金屬熱強度的值越大，設備發散同樣的熱量所耗費的金屬越少，結構相似的散熱器散熱量越大。[2]

2.6 高效散熱器的優勢

散熱器采用整體鍛造的加工方式將液態金屬自循環冷板、吸熱裝置和液態金屬管道連成一體，盡可能地降低系統熱阻，導熱效果較為理想;其次，液態金屬與其他金屬不同的地方在于它不易蒸發也不容易泄露，安全無毒，容易回收，對大自然的污染非常小。散熱系統的使用壽命可以得到保障，運行穩定。而且這種散熱器的液態金屬自循環管飯系統主要在蓋板的外部，從而防止由于液體泄露滲透到設備內部從而短路的情況發生。液態金屬散熱器與傳統水冷散熱器相比，熱量輸送和極限散熱能力更加強，因為液態金屬的導熱率遠遠高于水、空氣等非金金屬介質的導熱率，所以熱量輸送效果更佳。本設備避免了傳統散熱器容易潮濕、容易產生霉菌的特點，因為設備中的冷風裝置中的氣流只吹向翅片，而并不吹向設備內部。所以防止因密閉設計與外面容易導致潮濕、霉菌的空氣相互隔絕。而且散熱器中的液態金屬進入散熱器后，從中心向四周流動，最后到達頂部出口流出散熱器。[3]

本散熱器使用特殊裝置避開了散熱底板溫度不均勻的弊端。傳統的散熱器存在散熱底板溫度不均勻的情況。底板的平均溫度在一定程度上是體現散熱器散熱效率的重要依據。距離底板的中心越遠，其位置的溫度越高，所以，邊角位置的溫度是散熱器底板溫度的最高值。在本設備中底板的邊角處加設了倒流片，其目的就在于使散熱器底板的溫度分布更加均勻，避免因底板溫度差異太大影響散熱器的使用壽命。而且同一熱流密度的情況下，冷卻金屬液體流量的增大，芯片溫度降低的幅度越來越小。

3? 具體使用方式

該散熱器的工作原理為液態金屬管飯形成一個回路，在液態金屬管飯上設有專門用于吸收密閉空間中的發熱器件散發熱量的吸熱裝置。本設計充分利用液態金屬的高導熱性能和流動性，運用特殊驅動泵驅動驅動管道內的金屬液體流動，從而形成一個循環式的熱量傳輸系統。每當液態金屬的熱量被吸熱裝置吸收后，散熱翅片和處于散熱翅片下方的散熱板一起對金屬液體散熱。并且在散熱翅片和散熱板的共同一側專門設置了強迫冷風裝置，主要用于對散熱翅片和散熱板的降溫和散熱，降溫后的液態金屬再重新流回吸熱裝置，接連不斷地將熱量帶走，從而進一步加強對液態金屬的散熱效果，達到降低密閉結構高熱流密度器件的溫度的效果。（圖2）

圖2中1-3為散熱組件，5-9為受熱組件，4、10和11為導熱組件，散熱器中的液體可以從6-9所在位置通過管道運行到1-3所在位置，通過相關裝置將熱風散出去。

散熱器的使用效果與安裝工藝有很大關系，散熱器安裝時應當盡量增加主設備與散熱器之間的接觸面積，從而降低接觸熱阻，提高熱量傳送的效率。散熱器在停止工作后如果自然冷卻，應該使散熱器的表面與水平面的方向平行。

高熱流密度器件散熱冷卻方式主要可以分為兩種，分別為被動式冷卻和主動式冷卻。被動式冷卻指冷源溫度比環境溫度高的電氣元件散熱方式，被動式冷卻又可以根據冷卻介質的不同可分為液體冷卻和空氣冷卻。被動液態冷卻是將其內能直接轉化成熱能。隨后將熱能分散到各個結構，從而使內部與外部的熱量不相上下，從而避免受熱不均情況的發生，也不會影響高熱流密度器件的使用年限。主動式冷卻即冷源溫度比環境溫度低的一種散熱方式。其主要工作原理是將芯片的溫度降到和環境溫度相差無幾的狀態下，提高器件的使用性能。主動性冷卻的優勢在于芯片溫度比較低，其缺點在于消耗的能量高于被動式冷卻。設備中的冷卻系統屬于主動式冷卻;設備會帶有溫度計，這個溫度計可以展現其內部溫度，這樣做有利于密切關注熱工元件的運行狀態。如果其運行不正常，表現為溫度太高或者太低，就要停止運行，并及時找出電子元件的問題，采取相應措施解決問題，從而保障電子元件的運行狀態是良好的。

對于這款散熱器的接管方式來說，在相同一側保持上進下出，在不同的兩側，一般從上部進去下部出去，底部進去底部出去這三種接法。在相同一側從下面進上年出，則會使散熱量降低。本設備的接管方式主要為從不同的兩側，從上部進去下部出去，保持熱量發散的最大化。在一般范圍內，風速越大，發熱流量越大，溫度降低的速度越快;但超過一定峰值，發熱流量反而會隨著風速的提高而減弱。所以，發熱流量的大小主要由適宜的風速決定，熱流量越大，適宜的風速越大。本設備的風速是可以根據高密度器件所需的熱流量進行調節，靈活滿足器件所需。

4? 結語

總而言之，本設備的功能和性能優于傳統的散熱器，最大程度避免了傳統散熱器的弊端，為密閉結構高熱流密度電子器件的散熱提供一些思路。

參考文獻：

[1]陳薩如拉.高熱流密度器件散熱技術的研究進展[J].流體機械，2015，43（5）.

[2]楊雪，呂坤鵬.高熱流密度熱沉散熱能力數值仿真分析[J].激光與紅外，2018，48（1）.

[3]彭柯源，楊威.非均勻高熱流密度對熱電器件熱應力的影響分析[J].能源與環境（能源技術），2015（4）.