大功率电子冷却器及其关键技术
三种产品及其关键技术:
1、冷凝端扩展型仿生毛细管芯平板热管
基本原理:(1)在散热翅片内构造许多通道,增加平板热管冷凝端的散热面积。(2)在平板热管蒸发端表面上烧结仿生毛细管芯,提高热管蒸发端的传热系数。(3)热管蒸发端和冷凝端(散热翅片)采用一体化设计,从而确保平板热管和散热器之间的紧密接触。(4)众多散热翅片内的通道与仿生毛细芯相结合,类似于许多微型热管同时工作。
技术指标:(1)提高散热性能20%(用于大功率LED的散热器产品如图5所示)。(2)中心温度降低20℃;减少产品重量50%。(3)材料成本可节省50%。
综合优势:(1)由于固体翅片内存在延伸冷凝器,可为加热区提供充足的液体,保证加热区在超高热流密度下不会达到干燥状态。(2)翅片不仅用作散热器,还用作冷凝器。固体翅片内的冷凝传热确保了沿翅片高度方向均匀温度,从而提高翅片效率。(3)散热器可在反重力状态下运行,体积小,重量轻。由于集成设计,蒸发器和翅片散热器之间不存在接触热阻。
应用领域:电力电子、航空航天、能源动力、石油化工、军工设备等领域中大功率、大热流密度芯片及其设备的散热,例如大功率激光器、照明LED、控制芯片、燃料电池、新能源汽车、激光、雷达及大数据计算中心等。
2、回路热管
基本原理:(1)回路热管内部构造了三层毛细芯,第一层毛细芯为多尺度结构吸液芯,取代了传统回路热管中的实心沟槽微通道。多尺度结构吸液芯可将蒸发器内的汽-液流动路径分开,液体通过多尺度毛细芯吸入,蒸汽在固-液-汽界面处产生,并通过大尺度沟槽溢出。多尺度毛细芯同时满足了两个需求:蒸汽溢出需要多尺度孔隙,液体吸入需要小尺度孔隙。(2)第二层和第三毛细芯不仅起到回流液体的作用,还起到防止热泄露的作用。第三毛细芯为超低导热率材料,可大大减少从蒸发器到补偿箱的热泄漏。
技术指标:(1)与传统回路热管相比,蒸发器中心温度可降低20-50℃,最大热流密度可达40W/cm2。(2)在300W加热功率下,最大反重力高度可达500mm。
综合优势:(1)可在反重力状态下运行。(2)散热功率大,散热距离长。
应用领域:航空航天、能源动力和军工装备等领域光电设备的散热。
3、超薄热管
基本原理:(1)将仿生多尺度微-纳结构应用于热管蒸发端毛细芯。(2)热管超亲水蒸发端和超疏水冷凝端相互匹配,共同调节热管内部的汽液相分布。(3)热管蒸发端和冷凝端的相变传热主要是核态传热机制,传热系数对于热流密度的变化具有自适应响应特性。
技术指标:(1)显著降低热管蒸发端中心温度30-40℃(~100W/cm2)。(2)蒸发传热系数提高2.4倍。(3)冷凝传热系数提高4倍。
综合优势:(1)体积小,重量轻。(2)显著提高设备稳定性、可靠性和使用寿命。
应用领域:笔记本电脑、微处理器、手机等小型电子设备的散热。
华北电力大学
2022-07-20