大功率電子冷卻器及其關鍵技術
三種產品及其關鍵技術:
1、冷凝端擴展型仿生毛細管芯平板熱管
基本原理:(1)在散熱翅片內構造許多通道,增加平板熱管冷凝端的散熱面積。(2)在平板熱管蒸發端表面上燒結仿生毛細管芯,提高熱管蒸發端的傳熱系數。(3)熱管蒸發端和冷凝端(散熱翅片)采用一體化設計,從而確保平板熱管和散熱器之間的緊密接觸。(4)眾多散熱翅片內的通道與仿生毛細芯相結合,類似于許多微型熱管同時工作。
技術指標:(1)提高散熱性能20%(用于大功率LED的散熱器產品如圖5所示)。(2)中心溫度降低20℃;減少產品重量50%。(3)材料成本可節省50%。
綜合優勢:(1)由于固體翅片內存在延伸冷凝器,可為加熱區提供充足的液體,保證加熱區在超高熱流密度下不會達到干燥狀態。(2)翅片不僅用作散熱器,還用作冷凝器。固體翅片內的冷凝傳熱確保了沿翅片高度方向均勻溫度,從而提高翅片效率。(3)散熱器可在反重力狀態下運行,體積小,重量輕。由于集成設計,蒸發器和翅片散熱器之間不存在接觸熱阻。
應用領域:電力電子、航空航天、能源動力、石油化工、軍工設備等領域中大功率、大熱流密度芯片及其設備的散熱,例如大功率激光器、照明LED、控制芯片、燃料電池、新能源汽車、激光、雷達及大數據計算中心等。
2、回路熱管
基本原理:(1)回路熱管內部構造了三層毛細芯,第一層毛細芯為多尺度結構吸液芯,取代了傳統回路熱管中的實心溝槽微通道。多尺度結構吸液芯可將蒸發器內的汽-液流動路徑分開,液體通過多尺度毛細芯吸入,蒸汽在固-液-汽界面處產生,并通過大尺度溝槽溢出。多尺度毛細芯同時滿足了兩個需求:蒸汽溢出需要多尺度孔隙,液體吸入需要小尺度孔隙。(2)第二層和第三毛細芯不僅起到回流液體的作用,還起到防止熱泄露的作用。第三毛細芯為超低導熱率材料,可大大減少從蒸發器到補償箱的熱泄漏。
技術指標:(1)與傳統回路熱管相比,蒸發器中心溫度可降低20-50℃,最大熱流密度可達40W/cm2。(2)在300W加熱功率下,最大反重力高度可達500mm。
綜合優勢:(1)可在反重力狀態下運行。(2)散熱功率大,散熱距離長。
應用領域:航空航天、能源動力和軍工裝備等領域光電設備的散熱。
3、超薄熱管
基本原理:(1)將仿生多尺度微-納結構應用于熱管蒸發端毛細芯。(2)熱管超親水蒸發端和超疏水冷凝端相互匹配,共同調節熱管內部的汽液相分布。(3)熱管蒸發端和冷凝端的相變傳熱主要是核態傳熱機制,傳熱系數對于熱流密度的變化具有自適應響應特性。
技術指標:(1)顯著降低熱管蒸發端中心溫度30-40℃(~100W/cm2)。(2)蒸發傳熱系數提高2.4倍。(3)冷凝傳熱系數提高4倍。
綜合優勢:(1)體積小,重量輕。(2)顯著提高設備穩定性、可靠性和使用壽命。
應用領域:筆記本電腦、微處理器、手機等小型電子設備的散熱。
華北電力大學
2022-07-20