粉末烧结式多支路热管研制及性能研究

热管是一种高效的被动式相变传热元件,具有导热系数高、启动快速、灵活性大等特点,广泛地运用在大功率电子器件散热及温度控制领域。随着微制造技术的进步,电子器件朝着微型化、大功率化、多功能模块化的方向发展,导致了单位功率密度不断增大、内部热源数量增多且热源与冷源的相对位置越来越复杂的结果。目前,解决大功率多热源电子器件散热的几种方式都存在一定的缺陷,所以多热源散热仍是目前急需解决的重点问题之一。针对以上这些问题,本文开发出一种新型的、高热导率的、可提高空间利用率的、具有良好等温性能的、适用于多热源或多冷源系统散热的多支路热管,从而削弱了热源、空间等因素对电子器件稳定性和可靠性的影响,有利于电子器件微型化的发展。本文主要工作如下:(1)研究开发了基于一体烧结成型和基于二次烧结成型两种多支路热管的制造工艺。一体烧结成型多支路热管制造简单,可保证吸液芯的一体化,但难以制造复杂的结构;二次烧结成型多支路热管的各个支路与接头都分开烧结再组装成一体,可制造复杂多支路结构,利于批量化大规模的生产,但需要第二次烧结,成本较高。(2)搭建了温度测试实验平台,对多支路热管的传热性能进行研究。测试了吸液芯铜粉颗粒大小对一体烧结成型多支路热管的传热性能影响,结果显示75~100μm粒度大小的铜粉性能最佳。此外,对比分析了工质灌注量对两种不同制造方式多支路热管传热性能影响的差异。结果发现:两种制造方式的多支路热管性能差异不大,它们最优的工质灌注率都是在75~100%的范围内。(3)研究分析了多热源工况对多支路热管传热性能的影响。研究多热源在施加不同的总功率对多支路热管的启动特性的影响;研究多个热源在总功率恒定而各个热源的加热功率不同的情况下对多支路热管功率分布特性的影响;研究多支路热管启动后,功率变化对其动态特性的影响。结果分析显示:当工质灌注率低于100%时,多支路热管都能快速稳定启动,其极限功率、最大热流密度和最低热阻分别为160W、318.3W/cm2和0.04oC/W;当多支路热管多个热源的总功率维持不变时,不管各个热源之间的功率如何分配,热管达到稳态后的最高温度总是一样;多支路热管启动后,随着多热源器件功率的改变,可由一个稳态温度平稳过渡到另一新的稳态温度。(4)研究分析了多支路热管在多冷源、热源-冷源-相变材料复合等工况下的传热性能。当多支路热管在多冷源工况下对应的极限功率为190W,此时最高温度为73℃;当采用相变材料辅助散热时,需要选择适合的相变温度,使得电子器件的工作温度保持在固态区或熔化区对应的温度内,而相变材料达到液态区时会失去相变温控的功能。此外,在相变材料中添加适量的铜纤维,可提高相变材料的热导率,达到保温的热控效果同时可有效降低系统的整体温差。