一种新型相变散热器设计

李如忠

(中国工程物理研究院电子工程研究所， 四川 绵阳 621900)

一种新型相变散热器设计

李如忠

(中国工程物理研究院电子工程研究所， 四川 绵阳 621900)

对于短时或间歇性工作的大功率电子设备，特别是工作在临近空间的电子设备，利用相变材料进行散热是一种比较有效的冷却方式。但常用的相变材料导热系数比较低，必须采取各种措施强化相变材料的导热性能。文中在分析相变散热器中强化传热措施的基础上，针对小型轻量相变散热器的设计要求，设计了一种易于加工的内嵌螺旋形翅片的相变散热器。通过对散热器进行简化，计算了翅片间距。加热实验证明，所设计的新型相变散热器能很好地满足设计要求，螺旋形翅片能明显增强相变材料的导热性能，改善相变散热器的内部温度均匀性。

相变散热器；螺旋形翅片；强化传热

引 言

随着现代武器电子学的发展，出现了一系列具有超高热流密度、短时和间歇性工作的大功率组件(如战略武器的控制系统、引信等)，这类系统工作时间短,体积小,重量轻,工作环境恶劣，而热流密度却很高，周围环境又接近真空，无法进行空气对流散热，如果不能有效解决散热问题，则会大大降低系统的可靠性。

固-液相变散热器具有良好的恒温性以及较大的相变潜热，能有效解决短时、周期性工作的大功率电子器件的散热问题，在国内外航空航天领域得到了越来越广泛的应用[1]。

相变散热器利用材料从固态转换为液态时需要吸收大量热量的原理，使在常温下为固态的材料(如石蜡)通过吸收发热电子设备的热量而发生相变，并且在此过程中相变材料的温度基本保持不变，从而起到给电子设备散热的目的，并且还具有较好的恒温性。

本文利用相变散热器的原理，根据要求设计了一种新型相变散热器，并对散热器进行了加热试验，结果表明，设计的散热器能很好地满足系统的散热要求。

1 相变散热器的设计要求

1.1 相变散热器的工作环境

需要设计的相变散热器是为了给一个电路板上的3个高功率芯片散热，如图1所示，每个芯片的发热量为15 W。散热器工作在接近真空的环境中，与环境的空气对流散热可以忽略不计，环境温度为55 ℃。

图1 电路板示意图

1.2 相变散热器的设计要求

相变散热器设计成直径为130 mm的圆盘形，质量不超过300 g，尽量小，能保证电路板工作15 min，芯片外表面温度不超过80 ℃。

2 相变散热器的强化传热措施分析

常用的相变材料普遍具有导热率较低的缺点，例如常用的石蜡导热系数为0.1～0.4 W/(m·K)，而铝合金的导热系数为107 W/(m·K)，铜的导热系数更高, 难以满足电子设备的高热流密度要求。

为了改善相变散热器的导热性能，使相变材料能相对均匀地发生相变，通常在其中添加金属翅片、金属网格、金属粉末和石墨粉末等填充材料。在相变材料中添加金属粉末或石墨粉末可以强化相变材料内部的传热性能，但对于相变材料与外部封装之间的接触热阻改善不大，对于电路板散热的工程实用性较小。添加金属网格可以改善相变材料与外部封装之间的接触热阻，并且可以强化相变材料内部的传热性能，但对于本次设计的用于电路板散热的小型散热器工艺实现难度较大。所以，本次设计的小型相变散热器采用添加金属翅片的形式强化相变材料的传热性能。

文献[2]中讨论了相变材料中串联和并联2种翅片填充的传热模型，并对2种模型的传热性能进行了分析。分析结果表明：当热量传递方向与翅片相垂直即翅片与相变材料构成串联布置时，翅片之间的相变材料层构成了主要的热阻，有效导热系数受到了极大限制，基本和相变材料的导热系数相当；当热量传递方向与翅片方向一致即翅片与相变材料构成并联布置时，传热能力得到很大的提高；在相变散热器中，填充翅片能有效提高沿翅片方向的导热能力，但热量横向扩散能力很差，在相变材料吸收热量的过程中，相变材料熔化速度得不到有效改善，不利于相变储热散热器整体传热性能的提高。

3 相变散热器的翅片设计

3.1 翅片形状设计

根据以上分析，结合相变散热器的工况和加工工艺性，设计的散热器为圆盘状，圆盘内部加工出与轴向平行的翅片，热传导方向与翅片方向一致，传热能力得到了很大提高。该散热器主要给电路板上的3个芯片散热，它与芯片接触的部分会先受热使相变材料熔化，相变材料沿散热器的径向传热能力很差，散热器的整体传热特性得不到提高。为了解决该问题，在平面上将翅片设计成螺旋形，如图2所示。螺旋形状由1根连通的曲线组成，可以增强相变材料和翅片的横向传热能力，可以大大提高相变材料的均温性。

图2 螺旋形翅片散热器

3.2 翅片间距的确定

翅片间距对相变过程的影响非常大，翅片间距越小对散热器的整体传热性能的强化作用就越明显，但是，翅片间距减小意味着相变材料填充量的减小和散热器重量的增加，对散热器的最大散热功效不利。所以，必须确定一个合理的翅片间距。

确定翅片间距的原则是保证相变材料在工作时间内能完全熔化，并在此基础上使相变散热器的温差较小。

把翅片与相变材料简化为如图3所示的“三明治”结构[3]，假设翅片间距为2δ，翅片与相变材料的温差为5 ℃，在工作时间内，该温差保持不变，则根据导热公式，在翅片上面积为ΔA的柱形体积内，相变材料在整个工作过程中吸收的热量φ为

(1)

式中：K为相变材料吸收的导热系数；δ为翅片间距的一半；T1为翅片的温度；T2为相变材料的温度；t为工作时间。

图3 翅片和相变材料简化模型

根据翅片间距设计原则，相变材料吸收的热量应等于相变材料完全熔化所需的热量，即

φ=ΔA·δ·ρ·H

(2)

式中：ρ为相变材料的密度；H为相变材料的相变焓，即相变潜热。

由式(1)和式(2)可确定δ= 2.61 mm。为使相变材料能更好地相对均匀地熔化，取翅片间距为4 mm。

3.3 散热器的结构设计

根据以上分析，设计了如图4所示的散热器。该散热器底部有3个凸台与电路板上的发热芯片接触，为了减小接触热阻，使凸台与芯片的高度相匹配，在凸台与芯片之间垫了一层界面导热材料(界面导热材料为弹性材料)，并施加了一定的压力。散热器内部的螺旋形翅片与外腔体采用一体化加工，上部盖板采用焊接方式密封。

图4 散热器底部图

4 加热试验

对设计的相变储能散热器进行加热试验，用3个大功率电阻模拟电路板上的热源，在电阻附近布置温度传感器，温度测量结果如图5所示。从结果可以看出，散热器很好地延缓了电子组件的升温过程，有15 min的温升缓冲时间。螺旋形翅片大大增强了散热器的传热性能，提高了散热器内的温度均匀性，使热量迅速被相变材料吸收，改善了散热器的整体热性能。

图5 散热器温度测试结果

5 结束语

在分析相变散热器的强化传热模型的基础上，巧妙地设计了添加螺旋形翅片的新型相变散热器，确定了相变散热器翅片的合理间距。实验结果表明，所设计的新型相变散热器能很好地满足设计要求，螺旋形翅片大大增强了散热器的内部传热性能，使热量迅速被相变材料吸收。螺旋形翅片结构形式简单，易于加工，可以广泛用于小型和轻量化相变散热器的设计。

[1] 张涛, 余建祖. 泡沫铜作为填充材料的相变储热实验[J]. 北京航空航天大学学报，2007,33(9):1021-1024.

[2] 张涛, 余建祖. 相变装置中填充泡沫金属的传热强化分析[J]. 制冷学报，2007,28(6):13-17.

[3] 李如忠. 利用Ansys 进行相变散热器设计[J]. 机械工程与自动化, 2009(8):40-41.

李如忠 (1974-)，男，副研究员，主要从事电子产品结构设计和热设计工作。

Design of a New Type Phase-change Radiator

LI Ru-zhong

(InstituteofElectronicEngineering,ChinaAcademyofEngineeringPhysics，Mianyang621900,China)

For the high power electronic devices for short time or intermittent work, especially the electronic equipment working near space, heat dissipation by phase-change materials is a kind of more effective cooling way. But because the thermal conductivity of the commonly used phase-change materials is low, various measures must be taken to improve the thermal conductivity of phase-change materials. Based on analysis of heat transfer enhancement measures of the phase-change radiator, a new type phase-change radiator embedded in spiral fins is designed and the space between fins is calculated. The experiment results indicate that the new type phase-change radiator can well meet the design requirements. The spiral fin can significantly enhance the thermal conductivity of phase-change materials and improve the temperature uniformity in the phase-change radiator.

phase-change radiator; spiral fins; thermal conductivity enhancement

2013-03-12

TK414.2

A

1008-5300(2013)04-0037-03