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机械工程师题目
两相流散热翅片结构优化设计
作者
鲜大中
单位爱美达（上海）热能系统有限公司摘要：针对5G散热基站所用到的散热翅片进行了研究，开发了两相流散热翅片，经过对比不同形式的样品测试结果，验证其性能优于普通散热翅片，满足高热量散热的需求。关键词：风冷散热器；散热翅片；两相流；高热量00引言在信息网络发达的当今，大数据、云计算、人工智能的大量应用，特别是在享受5G网络给人们带来的快速与便捷同时，对电子元件的散热需求也与日俱增。传统的散热翅片已不能满足高功率、高集成芯片的散热需求。因此，急需开发高效率散热翅片，以适应日新月异的高科技发展需求。两相流翅片便应运而生，两相流是指冷却液的气液两种状态，气液两相界面间发生随机变动，在气相与液相间形成不同组合的相界面，且相界面分布呈现不同的几何形状，将其称为流型。由于气液的可压缩性，使得其相变过程及形式极为复杂，也为两相流的研究和应用提供了广泛的发展空间。01散热器的基本结构散热器的基本结构通常包括起均温作用的基板及散热作用的翅片。两者必须相互配合，发挥各自的性能特点，才能有效地发挥出整个散热器的性能。起均温作用的基板主要承载着将小热源、高密度的热源分散开，最理想状态是能够均匀分布在整个基板上。同时，基板还承载着热源的安装和固定。为了使散热均匀，通常会在基板上预埋比基材散热性能高的热管及均温板（VaporChamber），以提高基板的散热性能。在此，首先简单介绍热管的工作原理。热管是一种单方向传热的物体，由于铜的导热系数大约为W/（m·K），因此主要选择铜材作为基材。主要载体是薄壁铜管，在铜管的内壁通常做成吸附力很好的毛细结构，以利于液体的快速回流。腔体内部充有一定量的传热液体介质，使其在热源接触到热管的蒸发端时，液体介质快速蒸发而变成蒸汽，在压力差的作用下快速将热量带到冷凝端，实现了热量的远距离快速传送。当蒸汽到达冷凝端后，遇到低温的铜管壁后凝结成水，在内壁毛细结构吸附力作用下，快速流回蒸发端，从而实现热管的整个循环传热效果。在同等条件下，热管的导热率能是固体铜的几十倍，其工艺技术也相当成熟，制作成本相对较低，在散热领域得到广泛应用。图1热管工作原理示意图热管是单相均温部件，只能在单方向上提供均温传热。均温板则在平面内两方向上具有均温效果，它的主要结构有上下层铜盖、附着在铜盖内表面的毛细结构层、中间起支撑作用的铜柱及其表层覆盖的毛细结构层。其传热原理是：热源在底层盖板传热后，热量会在底层盖板迅速扩展开来，由于内部附着的毛细结构层作用，内部填充的水介质会迅速被加热而变成水蒸汽。在内部压力差的作用下，水蒸汽被蒸发后扩散到上层盖板，在上下盖板的温差作用下，蒸汽遇冷而凝结成水并储存在内部毛细结构层中。在毛细力和压力差作用下，水被吸回到底层盖板上的毛细结构层内，从而再次被蒸发，形成整个循环传热过程。
图均温板工作原理示意图
由此可见，均温板的传热过程与热管类似，但是其传热效果是在二维空间，X、Y两方向能等效传热。同时，其传热原理也是利用了内部介质的相变过程，传热效率比纯固体铜高，因而在同一平面内的多个热源散热应用中得到广泛应用。散热翅片则是提供有效的散热面积来帮助将基板上的热量散发出去。通常设计时需要考虑翅片的间距、高度、厚度等参数。因为翅片的材质与基板一样采用铝材质，其导热系数为37W/（m·K）左右。在加工工艺性方面限制了翅片的设计参数时，提高翅片的散热性能对整个散热器的性能有着至关重要的作用。0翅片的结构优化.1常规纯铝翅片常用的散热翅片所用材质为铝材，因为其传热效率好、密度较低，其加工方式有多种工艺可实现，因而得到广泛应用。按其加工工艺分类，有铝挤型翅片、压铸成型翅片、镶嵌翅片等。各种工艺之间存在不同的翅片参数，如翅片高度、翅片厚度、翅片间距离等。由热传学基本公式可知：Q=-kAcΔT/L。式中：Q为传热功率，W；k为材料传热系数，W/（m·K）；Ac为传播热量的通过面积，m；ΔT为个面的温度差，℃；L为个面之间的距离，m。提高Ac/L的比值最有利于提高传热效率，因此很有必要研究如何提高翅片的散热效率。除了翅片本身的效率外，也得考虑翅片与基板之间的热阻值，这部分热阻值越小，整个散热器的效率也越高。因此，为了减小翅片与基板之间的热阻值，最有效的办法是将翅片与基板设计成一体成型。通常可采用挤出成型工艺或压铸成型工艺加工翅片。但由于加工工艺的限制，翅片的厚度、高度、齿间距受到加工工艺的限制，因而开发了镶嵌翅片的工艺方法，翅片单独加工，其高度与厚度可按设计需求来实现。再通过焊接与挤压等方式来将翅片与基板结合为一体式。其结构原理如图3所示。图3焊接与挤压翅片示意图
.多孔扁管翅片如前面所介绍，所采用翅片为纯铝实体材料所形成，其传热效率主要决定于材料本身的导热系数、翅片的厚度与高度。在质量和成本的平衡下，翅片的厚度和高度比值不能做得很大，很大程度上限制了纯铝实体材料翅片的散热效率。为此特开发了两相流散热翅片结构来解决传统散热翅片效率低下的困境。两相流翅片就是在翅片内部创建微通道结构，内部再充满能产生相变的液体介质。当翅片在局部受热时，内部介质受热后迅速蒸发而变成气态的导热介质，将局部热量带至冷凝端，在冷凝翅片的降温作用下，气态介质又转变为液态的介质。由此可见，两相流翅片的散热不再单纯依靠翅片的本身材料来散热，其中内部的液体导热介质起了很大作用，大大提高了翅片的散热效率。因此，两相流翅片也成为一种新型的高效散热翅片，特别是在自然对流散热状态下的散热器上得到广泛应用，比如大力发展的5G基站散热便越来越多采用这种翅片。图4多孔扁管内部示意图图4所示是多孔扁管式翅片的基本结构。其中多孔扁管是通过挤出成型加工，内部形成微小的通孔结构，用于存储冷却介质并形成气液转换的通道。两端的端盖是通过钣金折弯加工，再通过钎焊的方式将两端端盖和中间多孔扁管焊接成一体。这样一来，两端便形成了多孔流道的汇集腔体，将各个流道相互贯通。内部冷却液加热后在流道内迅速上升，遇顶部温度较冷的散热翅片后形成冷凝液沿流道迅速回流至底部热源端，依此循环工作并最终形成了两相流多孔扁管式翅片。.3蜂窝状流道翅片蜂窝状流道翅片是指翅片形成流道后的形状与蜂窝形状相似，内部流道横向和纵向均相互贯通。如图5所示，从流道布置图来看，流道的布置形状将更加随意，与上述多孔扁管流道翅片相比，翅片形状可任意裁切成不规则形状，随热源的分布不同而进行流道的调整，这将大大减少散热器整体质量，在成本或整体质量方面都将有更大优势。图5蜂窝状流道翅片示意图该翅片的加工工艺方式。采用的是一种高压空气吹胀工艺，多采用铝板材来加工。首先在一层铝板材上印刷碳粉形成流道区域，然后将另一层铝板材覆盖在印刷好的流道板材上，再经过辊压工艺轧制后将两层板结合成一张板材。在没有印刷碳粉的区域板材结合很致密，在有碳粉的区域便为流道预留了空间。接下来就是通入高压空气来吹胀有碳粉的流道区域，通过模具设定流道的高度，在两层板之间形成一定的流道高度，并将多余的碳粉吹出，这样便形成了所需要的流道翅片。再通过注入一定量的冷却液后，整个翅片便形成了两相流翅片。从上述工艺介绍可知，该加工工艺流程相对较多，前期投入资金较大，此种翅片适合于大批量生产。该工艺在国内比较成熟，稳定性相对较高，翅片所承受的工作压力较高，在通信和制冷行业得到大量应用。.4环形流道结构翅片通过以上两种翅片的介绍可知，由于其内部流道的增加，其翅片的性能均由冷却液的相变过程所决定，性能会比原始的实体材料翅片有所提高。但同时也都存在相同的问题，就是流道不可能尽量接近翅片边缘，受到了加工工艺的限制。这将导致翅片根部与热源底部之间的热阻还是由实体材料所决定。为了解决这一问题，特开发了该种类型的环形流道翅片。大致结构如图6所示。图6环形流道翅片示意图
该翅片的主要结构相对简单，主要由两部分组成：一是开发的核心结构环形流道扁管；另一个是起承载作用的翅片板材。为了确保足够的承压能力，环形流道扁管选择多孔扁管弯曲成型，内部注入一定量的冷却液介质，并焊接密封形成一体结构。环形流道扁管与翅片之间采用胶焊的方式结合成一体，便形成了整个两相流翅片。从结构上看，该翅片的流道结构能够很好地接近翅片边缘，在将翅片埋入热源基板时，流道也可以同时埋入基板，这将大大增大流道与热源之间的接触，很大程度上减少了翅片与基板之间的热阻，成功地解决了以上两种翅片所存在的问题。通过对以上3种翅片的介绍，每种翅片各有其特点，相互之间互为补充，为开发两相流翅片散热器奠定了坚实的基础。03不同结构翅片的性能对比测试为了验证以上翅片的性能，设定一种特定的测试条件，分别对比测试其性能。如图7所示，分别将翅片嵌入热源基板中，保持相同的嵌入深度。将散热器置于自然对流状态下，并使用相同功率的热源大小，本次测试采用W加热功率，分别测试热源的温度、翅片上不同位置的温度，记录各点温度，如表1所示。表1不同翅片性能对比测试℃根据表1测试数据，经过热源的温度对比发现，环形流道翅片对应的热源温度相对较低，其次是多孔扁管翅片，再次是蜂窝状翅片，纯铝翅片对应的热源温度最高。图7翅片测试条件示意图
测试结果与设计之初的设想基本一致，主要差别在于翅片上流道与基板上热源之间的热阻值。再对比每种翅片的均温性，发现温差最小的是蜂窝状翅片，温差最大的是纯铝翅片，温差将近倍。这也再次验证了两相流翅片效率比纯铝翅片的效率高。04结语经过本文的研究表明：首先，两相流翅片的传热效率高于相同材料的纯实体材料翅片，也奠定了开发两相流翅片的必然性；其次，提供了解决问题的思路，在原理分析正确的基础上，可列举多种解决问题的思路，并通过实验的方法验证其正确性。参考文献略END
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