王恒 苏新军

摘 要：本实验研究了由铜柱作为支撑结构且50%铜柱套有烧结铜粉片作为吸液芯的均温板的传热性能。实验中采用铸铝板模拟电子发热元件，通过调整直流电源的电压，在1.6～21 W/cm2范围内改变加热散热元件的热流密度，分别测试了相同散热面积的均温板与纯铜板的散热效果。研究结果表明，当加热功率达到170 W时，均温板蒸发面热源中心点处的温度接近356 K，而相同条件下散热面积相同的纯铜板的中心温度达386 K。通过与纯铜板传热性能对比分析表明，在相同加热条件下，均温板的热阻及均温性均优于同尺寸的纯铜板。

关键词：散热;热管;均温板;纯铜板;热阻

中图分类号：TB657.5;TK172   文献标志码：A   文章编号：1003-5168（2022）2-0098-04

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2022.02.023

Experimental Study on Heat Transfer Performance of Vapor Chamber

WANG Heng    SU Xinjun

（School of Mechanical Engineering ，Tianjin University of Commerce， Tianjin 300400，China）

Abstract：In this paper， the heat transfer performance of a thermostatic plate with copper column as support structure and 50% copper column with sintered copper powder as suction core have been experimentally studied. In the experiment， the cast aluminum plate was used to simulate the electronic heating element. By adjusting the voltage of the DC power supply， the heat flux of the heating and cooling element was changed in the range of 1.6 ～ 21 W/cm2. The heat dissipation effect of the uniform temperature plate and pure copper plate with the same heat dissipation area were tested respectively. The results show that when the heating power reaches 170 W， the temperature at the center of heat source on the evaporative surface of homogenizing plate is close to 356 K， while the temperature at the center of pure copper plate with the same heat dissipation area is 386 K under the same conditions. Compared with the pure copper plate， heat transfer performance shows that under the same heating conditions， thermal resistance and temperature homogeneity of the plate are better than the same size of the pure copper plate， the larger heating area of the homogeneity plate is， the smaller thermal resistance of the homogeneity plate has.

Keywords：heat dissipation performance; heat pipe; vapor chamber; pure copper; thermal resistance

0 引言

近年来，随着高新技术的发展，高端电子设备在使用性能上和在安全范围内正常运行的要求在逐渐增高。电子设备在正常运行的过程中会产生多余、无用的热量，如何将其释放以及维持工件的正常温度等问题需要认真对待。电子元件内部温度控制可以从必要与非必要两个方面进行阐述，电子设备维持自身正常运行温度是必要的。电子设备内部包含较多的发热芯片，其发热功率多数是不相同的，这将导致设备表面的热应力分布不均匀，由于热量不会及时排出，这会导致电子设备运转不正常，甚至对电子设备造成不必要的损坏。元件在持续高温状态下工作会聚集越来越多的热量于元件芯片局部，这将导致电子设备的寿命不断缩减直至不能满足正常的工作需求[1-2]。所以，电子设备内部热量分布不均衡是一项亟需解决的难题。

均温板是一种应用于二维平面上散热的热管装置，被广泛应用于电子设备的散热[3]。吸液芯结构的存在对于均温板来说是至关重要的一环。当均温板处于工作状态时，其内部真空腔体内蒸发端的液相工质受热有沸腾现象产生，此时液体会发生形态上的变化呈现出汽相状态。汽相状态的工质在腔体内由蒸发端与冷凝端之間存在的压力差的推动下流入冷凝端，在冷凝端汽相状态的工质受冷会再一次发生形态变化，由汽相状态变回液相形成液滴，此时这些凝结的液滴在吸液芯结构毛细力的作用下迅速聚集在蒸发端，由此往复进行工作。

Yu等[4]通过研究微孔烧结吸液芯结构的蒸汽腔均温板，得出了当吸液芯的渗透率等于0.5时，蒸汽腔的性能最佳，此时其传热性能是内径为10 mm的热管的20倍。Vaddakan等[5]分析了均热板在均匀热源条件下的瞬态性能。Hsieh等[6]对内部有支撑柱和无支撑柱的均热板的热阻提出一种分析解法，并利用建立的数学模型对均热板的性能进行分析。

很多研究者对均温板的材质以及充液量等方面进行了大量的实验研究[7-9]。市场上主流的均温板以铜为主要材质，铜虽然导热性能好，但受材质本身的影响，经过高温处理后，力学性能变差，其受力情况会减弱，可能承受不了外部压力而产生形变。同样，当均温板在高温环境下工作时，其内部工质会剧烈沸腾汽化，产生饱和蒸汽压力，在饱和蒸汽压力的作用下，均热板的壳板可能会向腔体外侧膨胀。

针对以上问题，需要进一步优化均温板的内部结构，从而提高均温板的传热特性。本实验研究了一款内部由铜柱作为支撑结构且50%铜柱套有烧结铜粉片作为吸液芯的均温板的传热性能，在不同热流密度热源加热条件下与相同尺寸的纯铜板传热性能进行了对比研究，分析了两者的热阻特性以及冷却效果。

1 实验装置和方法

实验系统如图1所示，实验系统包括加热系统、散热元件、冷却系统以及数据采集系统。

加热系统由直流电源、铸铝板、铜块组成。实验采用的直流电源型号为WYK-[30B2]， WYK-[305B2]、IPD-3005SLU和MS305D，其中WYK-[30B2]、WYK-[305B2]最大电压可达60 V， 而IPD-3005SLU和MS305D最大电压为32 V，将它们进行串联。采用铸铝板模拟电子元件的发热元件，铸铝板是一个六个面发热均匀的长方体结构，采用实心铝质材料，长100 mm，宽50 mm，厚20 mm。为了方便控制散热片的热流密度，铸铝板加热器与散热片之间放置一纯铜块。铜块长30 mm，宽30 mm，高40 mm，六个面均为平滑平面。铸铝板和纯铜块四周均用绝热材料进行绝热处理。绝热材料采用自粘橡塑海绵和特氟龙高温胶带。

冷却系统由恒温水箱及冷却水槽组成。水箱采用功率为1 600 W的DC-4006智能节能恒温槽。冷却水槽采用厚度为0.4 mm的铝质材料，其尺寸为长180 mm，宽125 mm，高62 mm。水槽的上方采用半透明的塑料盖封闭，用以保持水槽内的压力。水槽两侧分别开孔，孔的直径为11 mm，上下有高度差，并将长度为40 mm、外径为11 mm、内径为10 mm的环保PVC透明管用胶水固定其中，方便与恒温水箱相连的水管进行配合连接。恒温水箱和冷却水槽之间采用外径为14 mm、内径为10 mm的不透明工业级硅胶管进行连接。

数据采集系统由热电偶、数据采集仪、电脑组成。实验中使用T型热电偶，它的测温点呈薄片状且可方便贴在所需测温点，搭配MX100数据采集仪，通过与联想G505相连获得实验数据。其中数据每100 ms记录一次。

为了实验准确性，减少实验误差，铸铝板与铜块、铜块与散热元件、散热元件与水槽接触面之间涂抹导热系数为5.0 [W（m∙K）]的导热硅胶以减少空气热阻。在水槽中插入温度计来确保水槽中的水始终保持在所需温度。

实验中，散热元件的中心温度和发热元件的温度均采用热电偶测量，热源置于散热片底部的中心位置，水槽完全覆盖于散热元件冷凝面上。恒温水箱中的水为28 ℃，通过恒温水箱的外循环功能将28 ℃的恒温水引入水槽，将水槽中水的温度控制在28 ℃。调整电源输出电压从而调节加热的热流密度，变化范围在1.6～21 W/cm2。实验开始时加热功率通过直流电源调整为15 W，当测量温度达到稳定状态时，再次调整直流电源在原电压的基础上调高10 V，最大加热功率为189 W。通过横河MX100记录发热元件和散热元件温度达到稳定时的数据，当每根热电偶的温度随时间的变化不超过0.5 ℃时，则认为均温板和模块内模拟发热芯片已经达到稳定状态。

2 均温板工作原理及热阻分析

实验均温板工作原理如图2所示。均温板在工作时液体工质吸收废热发生相变。同时，均温板内部的支撑铜柱除了起到支撑作用外，也有一定的导热能力，这样在支撑铜柱和工作介质相变的共同作用下，均温板的工作效率会有较大提升并实现整个装置内部的高效传热。由于相变过程具有很高的等温性，且铜柱均匀分布，所以均温板会达到均温效果。

3 实验数据处理

本实验热阻的定义由Hsieh等[6]提出，定义如式（1）。

[Rc=Tℎ−TcQ]       （1）

式中：[Tℎ]为散热元件加热侧中心点处的温度;[Tc]为水槽中冷却水的温度;Q为加热功率。

实验中的加热功率Q按式（2）计算：

[Q=U×I]       （2）

式中：U为直流电源的电压值;I为直流电源的电流。

4 实验结果讨论

图3是实验得到的均温板与纯铜板热阻随加热功率变化的曲线图。从图3中可以看到，均温板与纯铜板热阻的走势明显不同。纯铜板的热阻随着加热功率的升高，其热阻在一定范围內是稳定的，基本维持在0.5 ℃/W左右，这说明纯铜的导热方式主要依靠金属性质。均温板的热阻随着加热功率的升高在不断地减小，且加热功率越高热阻越小，这说明均温板的传热方式是由其内部工作介质的相变传热所发挥的作用。在加热功率达到70 W左右时热阻下降趋势较大，说明在加热功率达到70 W左右时，均温板里的液体介质的相变传热更加剧烈。从图3中两条曲线走势的差距可以看出，纯铜板与均温板在导热性能上存在一定差距，且随着加热功率的升高，纯铜板与均温板的热阻差距越来越明显。

图4是均温板和纯铜板加热侧的中心温度曲线。从图4中可以看出，均温板和纯铜板加热侧的中心温度均随着加热功率的升高而升高。纯铜板的加热侧中心温度随着加热功率的增大而呈现出线性变化，这也验证了纯铜板的热阻是一个稳定值。与纯铜板相比，加热功率小于70 W时，均温板和纯铜板加热侧的中心温度变化趋势基本相同，均呈线性变化，但均温板的加热侧中心温度均低于相应功率下纯铜板的加热侧中心温度。在加热功率超过70 W时，曲线斜率出现较大的变化，加热侧中心温度上升的速度较之前有所缓慢，最后在加热侧功率达到160 W左右时，加热侧中心温度上升的速度骤减，趋于平缓。说明在加热功率达到160 W时，均温板的相变传热达到最大化。可见，在加热功率超过70 W时，均温板的优势得到明显体现。

在加热功率达到189 W时，纯铜板的加热侧中心温度为122 ℃，远远超过电子器件在稳定运行时所要求的温度，而均温板的加热侧中心温度为84 ℃。由此可以看出，均温板通过相变所带来的散热效果要比仅通过金属特性来传递热量的方式要好得多，并且在高热流密度下均温板作为散热元件能更好地发挥作用。

5 结论

本实验研究了内部由铜柱作为支撑结构且50%铜柱套有烧结铜粉片作为吸液芯的均温板，均温板的均温性以及加热面积对均温板热阻的影响。在同样加热條件下，研究分析了均温板与相同尺寸的纯铜板的热阻特性以及冷却效果。研究结果表明，均温板作为高效换热时代的散热产物，其热阻以及散热效果要比传统的依靠金属特性导热的散热设备更加适合当今高热流密度条件的散热需求;均温板在均温性能上要优于纯铜板。因此，作为热管类的依靠相变传热的均温板可以应用于高热流密度的散热器件中。

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