论文部分内容阅读
摘 要 热管作为笔记本散热器中最重要的导热元件，最大传热能力是衡量其性能优劣的重要指标之一。本文结合生产实际，设计了一种测试装置。此装置操作简单方便，分段测试数据读取一目了然，可实现不同类型热管在不同工作温度及工作角度下最大传热能力的精确测试。通过实验验证，结果表明：在50℃工作温度下，输入测试功率30 W时，热损耗在2%以内。
关键词 热管；传热能力；热损耗
中图分类号：TK124 文献标识码：A 文章编号：1671—7597（2013）022-031-2
热管是一种具有极高导热性能的传热元件，由密封壳体，工作介质及毛细结构组成，其设计理念来自于著名的Cotter理论 。热管通过在全封闭真空管内工质的汽、液相变来传递热量，具有极高的导热性，其热传导效率较之纯铜高达上百倍，具有“热超导体”之美称。目前，各种结构类型的热管层出不穷，热管生产工艺不断革新，大大提升了热管的传热极限 。
衡量热管性能优劣的指标主要有两个：热管传热热阻Rth和热管最大传热能力 Qmax。热管的传热热阻测试方式相对简单容易，实际生产应用中，通常采用通过测试蒸发端热管温度T1和冷凝端热管温度T2，计算温差，由公式计算求得。而作为衡量热管传热极限的重要指标最大传热能力Qmax的测试方法，受热管工作温度（绝热端温度）、Ta工作角度、冷却方式等因素制约，行业中目前并没有统一的测试规范。本文结合某热管生产厂商十余年生产经验，提供了一种快速测试Qmax的方法。
1 传热能力Qmax测试装置
本测试装置，采用电加热块加热方式向热管提供热量。在测试过程中，加热块紧贴热管蒸发端上下壁，通过电源供应器向测试铜块输入热量，模拟芯片产生的热量对热管进行加热。在冷凝端，采用冷却水套进行冷却，保证热管绝热端温度为预先设定温度。当输入的热量达到某一个数值时，热管蒸發端温度 与绝热端温度（工作温度）Qmax之温差急剧上升，此前所输入能使热管蒸发端温度平稳时的最大热量，即为热管在此工作温度和角度下的最大热传能力，最大传热量体现了热管的最大传热能力，只有满足可以解决芯片发热量的热管，才能有效对系统进行散热。
测试时，热管外壁均匀粘贴热电偶，通过计算机实时监控记录热管温度。改变工作温度和测试角度，就可以得到对应参数下的最大传热能力。
所设计的实验装置如图1所示：
1-电源供应器；2-电流表；3-电压表；4-加热铜块；5-热管；6-热电偶；7-绝热胶带；8-冷却水套；9-水流阀；10-水槽；11-测试台；12-旋转装置
实验装置包含以下设备：
1）发热量输入设备。
本实验采用直流电源供电加热，可同时调节控制电压电流，精确度在0.01 A和0.01 V以内。输出电压与电流的乘积，即为电源供应器输出的功率。
2）测试使用热管。
本实验使用A公司某量产笔记本上一扁平热管，CPU芯片发热功率约30 W，主频2.8 GHz，热管工作液体为纯水，采用50目铜粉局部烧结，热管内部真空度约 。结构参数如下：热管厚度t=2.2mm ，壁厚，热管长度，直径，蒸发端长度，绝热端长度，冷凝端长度。
3）冷凝端散热结构。
冷凝端的热量通过冷却水套带走热量，冷却水套中的水量通过冷却水阀门进行调节。冷却水温度可以通过冷却水槽中的加热装置进行控制，通过冷却热管冷凝端温度，保证绝热端的工作温度衡定。
4）温度测量读取装置。
热管管壁上的温度，可以通过镍铬-镍铝热电偶进行测量。其信号采用FLUKE 2645A数据采集器将感应的温度采集，并在电脑中显示和记录。热管形状与热电偶贴点位置如图2所示。一般认为，当蒸发端任意一点温度较绝热端工作温度高5℃时，热管有局部“干烧”现象，出现此情况时即认为热管已经达到其最大传热极限。
5）其它辅助设备。
在蒸发端及绝热端，为减少热量损失，用绝热材料对加热铜块及热管进行包裹。另外，斜置热管装置，可以测试出不同角度下热管的最大传热能力。
2 热管最大传热能力测试
2.1 测试条件
最大传热能力 Qmax受热管工作温度与测试角度影响，本实验针对热管在水平与倾斜45°，工作温度50℃和60℃下进行交叉测试，测试产品数量5pcs，编号分别为1～5。
2.2 测试步骤
1）将电热偶线依照要求紧密黏贴在热管管壁。
2）打开电脑温度数据收集系统。
3）将热管固定于测试工作台上，调整热管测试角度。
4）打开恒温水槽及冷却水循环阀，设定冷却水温低于操作温度5℃左右。
5）调整电源供应器，起始输入功率约预测最大热传量之70%。
6）输入功率稳定后，调整冷却水流量及温度，以维持操作温度稳定。
7）维持稳定操作（0.1℃）5分钟，检查数据是否记录无误。
8）每隔2 W增加输入功率，重复（6）～（7）。
9）改变操作温度，重复（4）～（8）。
10）改变测试角度，重复（3）～（9）。
2.3 测试结果及分析
结合图2热电偶贴点位置，我们预估此热管在50℃工作温度水平放置情况下可满足最大传热能力约40 W。测试输入功率由38 W开始，每隔2 W为一个测试区间进行递增测试。取1#热管测试数据，如表1：
由上表可以看出，当输入功率为44 W时，蒸发端存在一点 温度明显上升，较绝热端温度 温差超过5℃。因此可以确定，热管在此条件下，其最大传热能力在42 W～44 W之间，传热热阻为0.1℃/W左右。
改变热管工作温度及测试角度，汇总测试数据，如表2所示： 通过表2我们可以看出，热管最大传热能力与热管工作温度成正比，与工作角度（热上冷下）成反比，测试结果与理论判定结果一致。
同时通过测试数据可以看出，此热管可满足为30 W芯片传热的要求。
表2 热管在不同条件下最大热传能力及热阻
热管在水平工作條件下，其最大传热能力优于同等工作温度倾斜下的最大传热能力。其原因在于，倾斜时受重力作用影响，冷凝端工作液体向蒸发端回流动力减少弱，导致蒸发端热量无法及时有效的向冷凝端导热，造成蒸发端局部温度升高，出现“干烧”现象。实际生产过程中，通常在热管内壁进行局部烧结、增加铜网或者改善工作液体等办法，来提升毛细极限 ，以提升热管在倾斜角度下的最大传热能力。
3 热损耗分析
本试验的散热损失包括两个传热过程：一个是热管和空气的自然对流换热过程，另一个是加热块自热的辐射散热过程。
1）物体自然对流散热公式：
当加热功率为30W时，测量到绝热层外表面温度为65℃，环境温度为25℃，自然对流换热系数为3.42 ，加热铜块的长度为40 mm，宽度为20 mm，高度20 mm，物体发射率取0.9，通过计算：Q1=0.55 W，Q2=0.004 W。因此认为加热功率的热损失为1.85%，测试结果精度可以接受。
4 结论
本文以输入功率每2 W为一个测试区间，具体视测试需求，可精确到每0.1 W为一区间进行测试。操作台旋转装置可实现测试角度在0°～360°内进行测试。冷却水槽水温可以控制在20℃～100℃任一区间，可实现热管工作温度在30℃～95℃区域内进行测试，可以调试到实际热管所有的工作状态，并在任一工作状态下完成热管最大传热能力的测试。
本实验所测试的热管，从测试数据看，可满足系统的设计要求。
参考文献
[1]Cotter T P Theory of heat pipes.Los Alamos Scientific Lab，1965.
[2]庄骏，张红.热管技术及其工程应用[M].北京：化学工业出版社，2000.
[3]丁新民.热管技术应用于计算机的发展[J].电脑应用，2003，5.
[4]Laochao Lin，Regasamy Ponannpan，and John Leland.High performance miniature heat pipe.International Journal of Heat and MassTransfer，45：3131-3142，2002.
关键词 热管；传热能力；热损耗
中图分类号：TK124 文献标识码：A 文章编号：1671—7597（2013）022-031-2
热管是一种具有极高导热性能的传热元件，由密封壳体，工作介质及毛细结构组成，其设计理念来自于著名的Cotter理论 。热管通过在全封闭真空管内工质的汽、液相变来传递热量，具有极高的导热性，其热传导效率较之纯铜高达上百倍，具有“热超导体”之美称。目前，各种结构类型的热管层出不穷，热管生产工艺不断革新，大大提升了热管的传热极限 。
衡量热管性能优劣的指标主要有两个：热管传热热阻Rth和热管最大传热能力 Qmax。热管的传热热阻测试方式相对简单容易，实际生产应用中，通常采用通过测试蒸发端热管温度T1和冷凝端热管温度T2，计算温差，由公式计算求得。而作为衡量热管传热极限的重要指标最大传热能力Qmax的测试方法，受热管工作温度（绝热端温度）、Ta工作角度、冷却方式等因素制约，行业中目前并没有统一的测试规范。本文结合某热管生产厂商十余年生产经验，提供了一种快速测试Qmax的方法。
1 传热能力Qmax测试装置
本测试装置，采用电加热块加热方式向热管提供热量。在测试过程中，加热块紧贴热管蒸发端上下壁，通过电源供应器向测试铜块输入热量，模拟芯片产生的热量对热管进行加热。在冷凝端，采用冷却水套进行冷却，保证热管绝热端温度为预先设定温度。当输入的热量达到某一个数值时，热管蒸發端温度 与绝热端温度（工作温度）Qmax之温差急剧上升，此前所输入能使热管蒸发端温度平稳时的最大热量，即为热管在此工作温度和角度下的最大热传能力，最大传热量体现了热管的最大传热能力，只有满足可以解决芯片发热量的热管，才能有效对系统进行散热。
测试时，热管外壁均匀粘贴热电偶，通过计算机实时监控记录热管温度。改变工作温度和测试角度，就可以得到对应参数下的最大传热能力。
所设计的实验装置如图1所示：
1-电源供应器；2-电流表；3-电压表；4-加热铜块；5-热管；6-热电偶；7-绝热胶带；8-冷却水套；9-水流阀；10-水槽；11-测试台；12-旋转装置
实验装置包含以下设备：
1）发热量输入设备。
本实验采用直流电源供电加热，可同时调节控制电压电流，精确度在0.01 A和0.01 V以内。输出电压与电流的乘积，即为电源供应器输出的功率。
2）测试使用热管。
本实验使用A公司某量产笔记本上一扁平热管，CPU芯片发热功率约30 W，主频2.8 GHz，热管工作液体为纯水，采用50目铜粉局部烧结，热管内部真空度约 。结构参数如下：热管厚度t=2.2mm ，壁厚，热管长度，直径，蒸发端长度，绝热端长度，冷凝端长度。
3）冷凝端散热结构。
冷凝端的热量通过冷却水套带走热量，冷却水套中的水量通过冷却水阀门进行调节。冷却水温度可以通过冷却水槽中的加热装置进行控制，通过冷却热管冷凝端温度，保证绝热端的工作温度衡定。
4）温度测量读取装置。
热管管壁上的温度，可以通过镍铬-镍铝热电偶进行测量。其信号采用FLUKE 2645A数据采集器将感应的温度采集，并在电脑中显示和记录。热管形状与热电偶贴点位置如图2所示。一般认为，当蒸发端任意一点温度较绝热端工作温度高5℃时，热管有局部“干烧”现象，出现此情况时即认为热管已经达到其最大传热极限。
5）其它辅助设备。
在蒸发端及绝热端，为减少热量损失，用绝热材料对加热铜块及热管进行包裹。另外，斜置热管装置，可以测试出不同角度下热管的最大传热能力。
2 热管最大传热能力测试
2.1 测试条件
最大传热能力 Qmax受热管工作温度与测试角度影响，本实验针对热管在水平与倾斜45°，工作温度50℃和60℃下进行交叉测试，测试产品数量5pcs，编号分别为1～5。
2.2 测试步骤
1）将电热偶线依照要求紧密黏贴在热管管壁。
2）打开电脑温度数据收集系统。
3）将热管固定于测试工作台上，调整热管测试角度。
4）打开恒温水槽及冷却水循环阀，设定冷却水温低于操作温度5℃左右。
5）调整电源供应器，起始输入功率约预测最大热传量之70%。
6）输入功率稳定后，调整冷却水流量及温度，以维持操作温度稳定。
7）维持稳定操作（0.1℃）5分钟，检查数据是否记录无误。
8）每隔2 W增加输入功率，重复（6）～（7）。
9）改变操作温度，重复（4）～（8）。
10）改变测试角度，重复（3）～（9）。
2.3 测试结果及分析
结合图2热电偶贴点位置，我们预估此热管在50℃工作温度水平放置情况下可满足最大传热能力约40 W。测试输入功率由38 W开始，每隔2 W为一个测试区间进行递增测试。取1#热管测试数据，如表1：
由上表可以看出，当输入功率为44 W时，蒸发端存在一点 温度明显上升，较绝热端温度 温差超过5℃。因此可以确定，热管在此条件下，其最大传热能力在42 W～44 W之间，传热热阻为0.1℃/W左右。
改变热管工作温度及测试角度，汇总测试数据，如表2所示： 通过表2我们可以看出，热管最大传热能力与热管工作温度成正比，与工作角度（热上冷下）成反比，测试结果与理论判定结果一致。
同时通过测试数据可以看出，此热管可满足为30 W芯片传热的要求。
表2 热管在不同条件下最大热传能力及热阻
热管在水平工作條件下，其最大传热能力优于同等工作温度倾斜下的最大传热能力。其原因在于，倾斜时受重力作用影响，冷凝端工作液体向蒸发端回流动力减少弱，导致蒸发端热量无法及时有效的向冷凝端导热，造成蒸发端局部温度升高，出现“干烧”现象。实际生产过程中，通常在热管内壁进行局部烧结、增加铜网或者改善工作液体等办法，来提升毛细极限 ，以提升热管在倾斜角度下的最大传热能力。
3 热损耗分析
本试验的散热损失包括两个传热过程：一个是热管和空气的自然对流换热过程，另一个是加热块自热的辐射散热过程。
1）物体自然对流散热公式：
当加热功率为30W时，测量到绝热层外表面温度为65℃，环境温度为25℃，自然对流换热系数为3.42 ，加热铜块的长度为40 mm，宽度为20 mm，高度20 mm，物体发射率取0.9，通过计算：Q1=0.55 W，Q2=0.004 W。因此认为加热功率的热损失为1.85%，测试结果精度可以接受。
4 结论
本文以输入功率每2 W为一个测试区间，具体视测试需求，可精确到每0.1 W为一区间进行测试。操作台旋转装置可实现测试角度在0°～360°内进行测试。冷却水槽水温可以控制在20℃～100℃任一区间，可实现热管工作温度在30℃～95℃区域内进行测试，可以调试到实际热管所有的工作状态，并在任一工作状态下完成热管最大传热能力的测试。
本实验所测试的热管，从测试数据看，可满足系统的设计要求。
参考文献
[1]Cotter T P Theory of heat pipes.Los Alamos Scientific Lab，1965.
[2]庄骏，张红.热管技术及其工程应用[M].北京：化学工业出版社，2000.
[3]丁新民.热管技术应用于计算机的发展[J].电脑应用，2003，5.
[4]Laochao Lin，Regasamy Ponannpan，and John Leland.High performance miniature heat pipe.International Journal of Heat and MassTransfer，45：3131-3142，2002.