单位 | 爱美达（上海）热能系统有限公司

择要：针对5G散热基站所用到的散热翅片进行了研究，开拓了两相飘泊热翅片，经由比拟不同形式的样品测试结果，验证其性能优于普通散热翅片，知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

在信息网络发达确当今，大数据、云打算、人工智能的大量运用，特殊是在享受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进步神速。
传统的散热翅片已不能知足高功率、高集成芯片的散热需求。
因此，急需开拓高效率散热翅片，以适应日月牙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，在气相与液相间形身分歧组合的相界面，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繁芜，也为两相流的研究和运用供应了广泛的发展空间。

散热器的基本构造常日包括起均温浸染的基板及散热浸染的翅片。
两者必须相互合营，发挥各自的性能特点，才能有效地发挥出全体散热器的性能。

起均温浸染的基板紧张承载着将小热源、高密度的热源分散开，最空想状态是能够均匀分布在全体基板上。
同时，基板还承载着热源的安装和固定。
为了使散热均匀，常日会在基板上预埋比基材散热性能高的热管及均温板（Vapor Chamber），以提高基板的散热性能。

在此，首先大略先容热管的事情事理。
热管是一种单方向传热的物体，由于铜的导热系数大约为400 W/（m·K），因此紧张选择铜材作为基材。
紧张载体是薄壁铜管，在铜管的内壁常日做成吸附力很好的毛细构造，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，使其在热源打仗到热管的蒸发轫时，液体介质快速蒸发而变成蒸汽，在压力差的浸染下快速将热量带到冷凝端，实现了热量的远间隔快速传送。
当蒸汽到达冷凝端后，碰着低温的铜管壁后凝集成水，在内壁毛细构造吸附力浸染下，快速流回蒸发轫，从而实现热管的全体循环传热效果。
在同等条件下，热管的导热率能是固体铜的几十倍，其工艺技能也相称成熟，制作成本相对较低，在散热领域得到广泛运用。

图1 热监工作事理示意图

热管是单相均温部件，只能在单方向上供应均温传热。
均温板则在平面内两方向上具有均温效果，它的紧张构造有高下层铜盖、附着在铜盖表里面的毛细构造层、中间起支撑浸染的铜柱及其表层覆盖的毛细构造层。

其传热事理是：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构造层浸染，内部添补的水介质会迅速被加热而变成水蒸汽。
在内部压力差的浸染下，水蒸汽被蒸发后扩散到上层盖板，在高下盖板的温差浸染下，蒸汽遇冷而凝集成水并储存在内部毛细构造层中。
在毛细力和压力差浸染下，水被吸回到底层盖板上的毛细构造层内，从而再次被蒸发，形玉成部循环传热过程。

图2 均温板事情事理示意图

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，其传热事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运用中得到广泛运用。

散热翅片则是供应有效的散热面积来帮助将基板上的热量散发出去。
常日设计时须要考虑翅片的间距、高度、厚度等参数。

由于翅片的材质与基板一样采取铝材质，其导热系数为237 W/（m·K）旁边。
在加工工艺性方面限定了翅片的设计参数时，提高翅片的散热性能对全体散热器的性能有着至关主要的浸染。

2.1 常规纯铝翅片

常用的散热翅片所用材质为铝材，由于其传热效率好、密度较低，其加工办法有多种工艺可实现，因而得到广泛运用。
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、翅片间间隔等。
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，m2；ΔT为2个面的温度差，℃；L为2个面之间的间隔，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，全体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。
常日可采取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定，翅片的厚度、高度、齿间距受到加工工艺的限定，因而开拓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办法来将翅片与基板结合为一体式。
其构造事理如图3所示。

图3 焊接与挤压翅片示意图

2.2 多孔扁管翅片

如前面所先容，所采取翅片为纯铝实体材料所形成，其传热效率紧张决定于材料本身的导热系数、翅片的厚度与高度。
在质量和本钱的平衡下，翅片的厚度和高度比值不能做得很大，很大程度上限定了纯铝实体材料翅片的散热效率。
为此特开拓了两相飘泊热翅片构造来办理传统散热翅片效率低下的困境。

两相流翅片便是在翅片内部创建微通道构造，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，在冷凝翅片的降温浸染下，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纯挚依赖翅片的本身材料来散热，个中内部的液体导热介质起了很大浸染，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，特殊是在自然对飘泊热状态下的散热器上得到广泛运用，比如大力发展的5G基站散热便越来越多采取这种翅片。

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构造。
个中多孔扁管是通过挤出成型加工，内部形成眇小的通孔构造，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，再通过钎焊的办法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搜集腔体，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，依此循环事情并终极形成了两相流多孔扁管式翅片。

2.3 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，从流道支配图来看，流道的支配形状将更加随意，与上述多孔扁管流道翅片比较，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度，这将大大减少散热器整体质量，在本钱或整体质量方面都将有更大上风。

图5 蜂窝状流道翅片示意图

该翅片的加工工艺办法。
采取的是一种高压空气吹胀工艺，多采取铝板材来加工。
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，再经由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。
接下来便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，这样便形成了所须要的流道翅片。
再通过注入一定量的冷却液后，全体翅片便形成了两相流翅片。

从上述工艺先容可知，该加工工艺流程相对较多，前期投入资金较大，此种翅片适宜于大批量生产。
该工艺在海内比较成熟，稳定性相对较高，翅片所承受的事情压力较高，在通信和制冷行业得到大量运用。

2.4 环形流道构造翅片

通过以上两种翅片的先容可知，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，便是流道不可能只管即便靠近翅片边缘，受到了加工工艺的限定。
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。
为理解决这一问题，特开拓了该种类型的环形流道翅片。
大致构造如图6所示。

图6 环形流道翅片示意图

该翅片的紧张构造相对大略，紧张由两部分组成：一是开拓的核心构造环形流道扁管；另一个是起承载浸染的翅片板材。
为了确保足够的承压能力，环形流道扁管选择多孔扁管波折成型，内部注入一定量的冷却液介质，并焊接密封形成一体构造。

环形流道扁管与翅片之间采取胶焊的办法结合成一体，便形成了全体两相流翅片。
从构造上看，该翅片的流道构造能够很好地靠近翅片边缘，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打仗，很大程度上减少了翅片与基板之间的热阻，成功地办理了以上两种翅片所存在的问题。

通过对以上3种翅片的先容，每种翅片各有其特点，相互之间互为补充，为开拓两相流翅片散热器奠定了坚实的根本。

为了验证以上翅片的性能，设定一种特定的测试条件，分别比拟测试其性能。
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，并利用相同功率的热源大小，本次测试采取100 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 不同翅片性能比拟测试 ℃

根据表1测试数据，经由热源的温度比拟创造，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同等，紧张差别在于翅片上流道与基板上热源之间的热阻值。
再比拟每种翅片的均温性，创造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2倍。
这也再次验证了两相流翅片效率比纯铝翅片的效率高。

经由本文的研究表明：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，也奠定了开拓两相流翅片的一定性；其次，供应理解决问题的思路，在事理剖析精确的根本上，可列举多种办理问题的思路，并通过实验的方法验证其精确性。

参考文献 略

转载请注明：片头模版 » 两相流散热翅片结构优化设计