粉末烧结型均温板抗旋转性能试验研究_唐文辉.pdf

第39卷第1期2023年2月Electro-Mechanical Engineering环境适应性设计DOI:10.19659/j.issn.10085300.2023.01.008粉末烧结型均温板抗旋转性能试验研究*唐文辉，刘波，沈小清（中国船舶集团有限公司第八研究院，江苏 南京 211153）摘要：为分析粉末烧结型铝制均温板在旋转离心力作用下传热性能的变化，文中设计了旋转试验测试平台，用以模拟不同转速过载条件，测试均温板在静止、低转速、高转速等状态下的传热温差，并进一步研究记录转速变化时均温板传热温差随时间的变化情况。试验结果表明，均温板传热温差在低转速下（7.5 r/min）与静止状态下变化不明显，传热温差随着转速增加而逐渐增大。停止旋转后，传热温差快速下降。在高转速（30 r/min和45 r/min）下，传热温差增加值最大约10C，最小约4C。关键词：粉末烧结；均温板；旋转条件；传热性能中图分类号：TK124文献标识码：A文章编号：10085300(2023)01004404Experimental Study on Heat Transfer Performance of PowderSintered Vapor Chamber in Rotating ConditionTANG Wenhui,LIU Bo,SHEN Xiaoqing(The 8th Research Academy of CSSC,Nanjing 211153,China)Abstract:In order to analyze the variation of the heat transfer performance of powder sintered aluminumvapor chamber under rotational centrifugal force,a rotation test platform is built in this paper to simulatedifferent conditions of different rotation speeds and test the heat transfer temperature differences of the vaporchamber under stationary state,low-speed rotation state and high-speed rotation state.The variation ofheat transfer temperature difference of the vapor chamber with time is studied and recorded when the rotationspeed changes.The experiment shows that the heat transfer temperature difference does not change significantlyunder low-speed rotation(7.5 r/min)state and stationary state,but will increase as the rotation speed increases.After the rotation stops,the heat transfer temperature difference decreases rapidly.At high rotation speeds(30 r/min and 45 r/min),the increment of the heat transfer temperature difference is about10C at most andabout4C at least.Key words:powder sintering;vapor chamber;rotating condition;heat transfer performance引言随着雷达等电子设备功耗及热耗不断上升，其电子器件的热流密度由以前的低于70W/cm2逐渐增加至200W/cm2以上，在此条件下铜和铝等传统导热材料已无法满足要求。特别是某些雷达存在高速稳定旋转等工况，对均温板在旋转雷达上的应用提出了新的要求。为了验证和测试均温板的传热性能，文献1对热管均温板进行改进设计并验证了不同加速度条件下的传热性能；文献2对铝基均温板散热盒、热管散热盒和铝合金散热盒进行了对比试验研究；文献3对均温板的散热性能和环境适应性进行了试验研究；文献4对烧结铜粉吸液芯进行了孔隙率、渗透率、毛细上升红外测试等试验研究；文献5对10%低充液率和66%高充液率下的铝制均温板传热性能进行了测试；文献6对一种超大型铝基扁平热管散热器垂直重力方向上的传热能力进行了测试。为研究不同旋转条件对粉末烧结型均温板传热性能的影响，本文设计了旋转试验测试平台，模拟雷达旋转产生的离心力对均温板传热效果的影响，测试并记录均温板样件在静止、低转速、高转速3种状态下冷端、热端的温度，从而进一步得到表征均温板性能的传热温差的变化情况。*收稿日期：2022092144第39卷第1期唐文辉，等：粉末烧结型均温板抗旋转性能试验研究环境适应性设计1试验方案设计1.1均温板工作原理由均温板工作原理78可知，粉末烧结型真空腔均温板由内壁具有粉末烧结形成的毛细结构的真空腔体及其内部相变工质组成。当热量由热源传导至蒸发段时，腔体内相变工质在低真空度环境中受热气化并吸收热能，当气相工质接触到较冷区域时便会凝结，释放热量，凝结后的相变工质会由毛细结构回到蒸发热源处，形成完整的气液两相循环流动，实现热量的快速传递和转移。为研究旋转产生的离心力对均温板传热工质工作过程的负面影响，试验方案中将均温板安装于旋转试验台上，同时将热源区即均温板蒸发段靠近旋转中心，冷源区即均温板冷凝段远离旋转中心，以达到离心力方向与液态工质回流方向相反的试验目的。1.2样件设计及测试方法针对雷达实际应用需求，本文设计了一种L型均温板，内部为粉末烧结型毛细结构，充注工质为丙酮。实际使用中，均温板产品的检验项目中最重要的是传热性能，主要包括均温性和传热功率参数。均温板的均温性是指正常工作时，远离热源的表面（即与热沉接触面）上任意两点的温差值即传热温差不大于某一标定值。本文均温板的设计传热量为25 W，其传热温差测试方法如图1所示。在均温板的一端采用模拟热源进行加热，另一端采用冷却液和冷板进行冷却，测量并记录均温板两端温差，以此作为均温板的传热温差。均温板外形尺寸见图1。冷板冷端温度模拟热源热端温度绝热材料冷却液冷源区热源区3030图 1均温板外形及测试方法示意图由于无论是在静止状态下还是在旋转状态下，试验过程中重力对均温板内部相变工质的影响一直存在且保持一致，因此本试验暂时认为均温板传热温差的变化差异主要缘自旋转所产生的过载离心力对内部相变工质的影响9。1.3旋转试验台搭建均温板作为一种新型高效传热器件，目前已有许多性能测试装置。比如专利CN201120073441.6所提到的一种均温板性能综合量测装置10包括加热模块、冷凝模块、旋转平台、气缸以及测温模块。加热模块与冷凝模块通过气缸连接之后放置于旋转平台上。该方法将待测均温板平放于测试腔内，调节加热功率，通过温度传感器测量待测均温板的均温性、最大传热功率和热阻等传热性能，还能通过调节旋转平台的角度以及空调房的室温来测量均温板在不同工况下的性能。此专利虽有旋转平台，但仅仅是改变均温板装夹面与水平面的夹角，同样属于静态测试。专利CN201821412859.3所提到的一种均温板性能快速评估装置11包括工作台、夹具、恒温箱、散热风机及显示屏，能够通过滑槽、滑块等结构对均温板进行快速性能测试和评估。以上方法均无法测量和评估旋转条件下的均温板传热性能及其变化过程。本文的旋转试验台的组成如图2所示，包括旋转平台、伺服控制箱、汇流环、模拟热源、冷板、数据采集装置、直流电源、液冷源、热电偶、定环进液管路、定环回液管路、动环进液管路、动环回液管路、测试固定工装、过渡板和防护罩。旋转平台主要包括电机、减速箱和动环平台。伺服控制箱控制电机通过减速箱带动动环平台旋转，提供稳定旋转条件。汇流环安装于旋转平台，提供电和液的通道。数据采集装置安装于动环平台一侧，通过热电偶采集均温板温度数据。液冷源通过定环进液管路和定环回液管路连接汇流环，再通过动环进液管路和动环回液管路连接冷板，提供均温板稳定散热条件。测试固定工装通过过渡板安装于动环平台上。防护罩安装于过渡板上，以覆盖测试工装。直流电源为模拟热源供电，提供均温板测试所需的热源条件。伺服控制系统水冷机柜温度巡测仪汇流环跑合台均热板测试工装直流电源图 2均温板旋转试验台组成1.4旋转过载条件旋转试验台可以模拟实际旋转环境的不同转速。为研究低转速、高转速及其变化对均温板传热的影响，本试验选择7.5 r/min低转速以及30 r/min和45 r/min高转速3种转速条件。离心加速度计算公式为：a=2r(1)式中：a为离心加速度；为旋转角速度；r为均温板离旋转中心的距离即旋转半径。由式（1）得到均温板不同转速下所承受的过载条件，如表1所示。45环境适应性设计2023年2月表 1均温板过载条件旋转转速n/(rmin1)旋转半径r/m离心过载加速度a/(ms2)00.807.50.80.4930.00.87.9045.00.817.702试验测试为充分验证并保证试验结果的可信度，试验选择了6件均温板样件进行不同转速下的传热温差测试，各样件测试转速变化设定如表2所示。表 2各样件测试转速变化过程设定试验样件转速n变化过程设定试验1样件1、样件20 30r/min 0试验2样件3、样件40 7.5r/min 30r/min 0试验3样件5、样件60 7.5r/min 45r/min 02.1试验1在试验1条件下，选择样件1和样件2的均温板进行测试，测试结果如图3和图4所示。试验时均温板在静止状态下开始测试，0点至A1点为转速n=0状态下均温板加载热源启动传热过程，A1点至B1点为转速n=0状态下均温板传热温差稳定过程，B1点至C1点为转速n=30r/min时传热温差变化及稳定过程，C1点转速由30r/min缓慢停止，至D1点测试结束。A1B1C1D1T0T0+21T0+43时间/min02468101214161820温度/C图 3样件1均温板传热温差变化曲线A1B1C1D1T0T0+14T0+29时间/min02468101214161820温度/C图 4样件2均温板传热温差变化曲线2.2试验2在试验2条件下，选择样件3和样件4的均温板进行测试，测试结果如图5和图6所示。试验时均温板在静止状态下开始测试，0点至A2点为转速n=0状态下均温板加载热源启动传热过程，A2点至B2点为转速n=0状态下均温板传热温差稳定过程，B2点至C2点为转速n=7.5r/min时传热温差变化及稳定过程，C2点至D2点为转速n=30r/min时传热温差变化及稳定过程，D2点转速由30r/min缓慢停止，至E2点测试结束。A2B2C2D2E2T0T0+21T0+43时间/min024681012141618温度/C图 5样件3均温板传热温差变化曲线A2B2C2D2E2T0T0+20T0+41时间/min02468101214161820温度/C图 6样件4均温板传热温差变化曲线2.3试验3在试验3条件下，选择样件5和样件6的均温板进行测试，测试结果如图7和图8所示。试验时均温板在静止状态下开始测试，0点至A3点为转速n=0状态下均温板加载热源启动传热过程，A3点至B3点为转速n=0状态下均温板传热温差稳定过程，B3点至C3点为转速n=7.5r/min时传热温差变化及稳定过程，C3点至D3点为转速n=45r/min时传热温差变化及稳定过程，D3点转速由45r/min缓慢停止，至E3点测试结束。46第