0引言

回路熱管是一種新型熱管,具有啟動(dòng)迅速?均溫性好?傳熱性能高的優(yōu)點(diǎn),在散熱領(lǐng)域已得到廣泛應(yīng)用?但在應(yīng)用回路熱管解決高功率芯片散熱問(wèn)題的時(shí)候,面臨著制造成本高?加工工藝難度大的問(wèn)題,因此,探索低成本回路熱管散熱模組是很有必要的?本文基于單支回路熱管的制造和通過(guò)多支回路熱管組合應(yīng)用,達(dá)到解決高功率散熱模組的需求,同時(shí)降低了回路熱管的制作工藝難度,降低了散熱模組的制造成本,對(duì)高功率散熱模組的研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用具有積極的現(xiàn)實(shí)意義?

1基本原理

先把單支回路熱管“蒸發(fā)管路”內(nèi)部燒結(jié)毛細(xì)層,然后與“蒸汽和回液管路?注液管”焊接在一起,通過(guò)“注液管”先對(duì)整個(gè)管路抽真空?再注入適量冷媒,成為獨(dú)立個(gè)體的回路熱管;然后再把四支回路熱管與散熱鰭片?鋁塊銅塊等熱沉器件焊接成一個(gè)整體,組成散熱模組;散熱模組安裝在應(yīng)用場(chǎng)景后,熱源產(chǎn)生的熱使毛細(xì)結(jié)構(gòu)內(nèi)的工質(zhì)發(fā)生相變產(chǎn)生蒸汽,在壓力差的驅(qū)動(dòng)下,蒸汽沿管路到冷凝器端,釋放潛熱,冷卻成液態(tài),重新回到蒸發(fā)端,如此復(fù)循環(huán)?

2散熱模組設(shè)計(jì)

2.1設(shè)計(jì)指標(biāo)

散熱模組最高功耗:600W散熱性能:熱阻<0.1℃/W@600W,150CFM,Ta=45℃使用環(huán)境:-10~+55℃內(nèi)部填充工質(zhì)為:R134a

2.2模組結(jié)構(gòu)方案

采用四根獨(dú)立回路管路,每根回路熱管設(shè)計(jì)功率約150W,2組鰭片,1個(gè)鋁擠型材,1塊銅塊直接與熱源接觸,散熱器總功率約600W?

3單支回路熱管制作

3.1材料要求

燒結(jié)管材質(zhì)采用無(wú)氧銅C1020,管徑9mm,壁厚0.5mm?

3.2毛細(xì)層設(shè)計(jì)

燒結(jié)管內(nèi)部粉層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)采用錐形設(shè)計(jì),采用一端為小孔,另一端為開口狀?其目的是讓管內(nèi)蒸汽朝設(shè)計(jì)的方向流動(dòng)起來(lái),防止管內(nèi)蒸汽往兩端同時(shí)等量擴(kuò)散,在管內(nèi)形成蒸汽平衡,從而使管內(nèi)蒸汽堵塞,出現(xiàn)失效現(xiàn)象?

3.3銅管折彎要求

銅管折彎需要嚴(yán)格按照?qǐng)D紙尺寸折彎成需要的形狀,折彎后需增加矯形工序,務(wù)必保證折彎關(guān)鍵尺寸,注意4根銅管極為相似?

3.4回路熱管焊接

回路熱管采用高頻焊接方式,把燒結(jié)管?銅管和注液管三者焊接為整根回路熱管?考慮到熱管注液前需要高溫還原,因此,焊接所使用的焊料為高溫焊料:15Ag,焊接溫度:約780℃~820℃?

3.5注液口制備

通過(guò)高頻焊接的方式把注液針閥與回路熱管注液口進(jìn)行焊接,形成注液專用通道,便于調(diào)節(jié)工質(zhì)加注量?焊料采用磷銅圈,焊接溫度630℃~670℃?高頻焊接頻率:40A?

3.6回路熱管抽真空

對(duì)加工好注液口的回路熱管進(jìn)行高溫還原,冷卻后對(duì)盡快進(jìn)行抽真空,真空度要求為3E-4torr?

3.7加注冷媒

通過(guò)注液口將冷媒R134a加注進(jìn)完成了抽真空工序的回路熱管?由于冷媒R134a的沸點(diǎn)較低,熱管需在5℃冰水中進(jìn)行注液;閥芯與閥帽需要擰緊,防止針閥微泄露?

4散熱模組制作

通過(guò)設(shè)計(jì)制造專用的焊接工裝夾具,將鰭片(Fin)?回路熱管?散熱基板?熱沉零件用低溫釬焊工藝將它們有機(jī)地結(jié)合在一起形成一個(gè)完整的散熱模組產(chǎn)品(見圖1和圖2)?

5實(shí)驗(yàn)分析

5.1注液量與熱阻關(guān)系

對(duì)單支回路熱管分別加注不同的四種注液量(7g,28g,38g,48g)然后分別進(jìn)行測(cè)試,結(jié)果如圖3:

5.2實(shí)驗(yàn)分析

注液量較少時(shí),在高功率下很難維持汽液快速循環(huán),容易超負(fù)荷失效;注液量38g左右的性能較好,負(fù)載的功率較大,且隨著功率增加,熱阻呈現(xiàn)緩慢下降趨勢(shì)?

注液量低于38g,最低點(diǎn)熱阻稍微有點(diǎn)增加,失效功率也隨之降低;注液量大于38g,整體熱阻較高?

6散熱模組性能驗(yàn)證

6.1模擬芯片熱源

芯片熱源采用純銅塊鑲嵌發(fā)熱棒的方式模擬,銅塊尺寸為80×69mm?

6.2測(cè)試樣品

測(cè)試樣品取用(38g注液量)制造的散熱模組?

6.3測(cè)試方法

在風(fēng)洞中,根據(jù)實(shí)際需要調(diào)節(jié)不同風(fēng)量,不同功率,進(jìn)行熱阻測(cè)試?

測(cè)試結(jié)果固定加熱功率為600W時(shí)(見圖4),風(fēng)量越大,熱阻越小,且隨著風(fēng)量的增加,熱阻變化減緩;在150CFM時(shí),熱阻約為0.081℃/W,滿足設(shè)計(jì)要求?固定風(fēng)洞風(fēng)量為150CFM時(shí)(見圖5),功率越大,熱阻越大,當(dāng)加熱功率達(dá)到600W時(shí),熱阻為0.09℃/W,滿足設(shè)計(jì)要求?

7技術(shù)優(yōu)點(diǎn)

回路熱管散熱模組結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)靈活,可根據(jù)不同應(yīng)用場(chǎng)景及功率消耗要求,設(shè)計(jì)不同結(jié)構(gòu)?不同數(shù)量?不同管徑的回路熱管應(yīng)用于同一個(gè)散熱模組中,解決各種高功率芯片的散熱需求;回路熱管與其他組件是相對(duì)獨(dú)立的部件,單根回路熱管獨(dú)立制作,易于規(guī)模化,大批量制造;單根回路熱管作為獨(dú)立個(gè)體,品質(zhì)更易于控制,確保性能合格的熱管才能流入下一個(gè)工序,減低成品的品質(zhì)風(fēng)險(xiǎn)?單根回路熱管制造工藝容易實(shí)現(xiàn),基本可與普通熱管制造設(shè)備共用,可節(jié)省前期設(shè)備投入成本?

8結(jié)語(yǔ)

通過(guò)實(shí)際案例制作,案例產(chǎn)品所采用的技術(shù)路線是合理的,采取的各項(xiàng)工藝滿足了最終產(chǎn)品的需求,過(guò)程中,試驗(yàn)過(guò)幾組不同的參數(shù),回路熱管燒結(jié)管部分采用燒結(jié)粉填充為錐型的結(jié)構(gòu),另一端留有一小孔的方案,案例產(chǎn)品注液量38g為最佳,按此工藝制作的散熱器在風(fēng)量150CFM時(shí),加熱功率為600W時(shí),熱阻為0.081℃/W,達(dá)到設(shè)計(jì)要求?

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