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20240328环路热管

这篇文件是一篇关于脉冲热管(PHP)和嵌入式热管(EHP)散热片热性能的实验比较研究。以下是该文件的核心内容概要:

研究背景

  • 随着半导体性能的提升和小型化,高功率密度的电力电子系统的发展带来了高热流密度的挑战。
  • 电子芯片通常需要保持在75°C以下以保持可靠的操作性能。
  • 传统的散热方法使用基于铝的传导板进行热扩散,但其性能受限于材料的热导率,可能无法处理高功率密度电子设备的高热流。

研究目的

  • 比较基于嵌入式传统热管(EHP)和基于内部毛细通道脉冲热管(PHP)的两种被动散热片在电子冷却方面的热性能。
  • 确定在给定操作条件下适合的散热片类型。

实验方法

  • 制作并测试了两种散热片,使用铝作为基材,尺寸符合VITA标准的6U形式因素。
  • 实验比较了两种被动式两相散热片:嵌入式热管(EHP)和脉冲热管(PHP)。
  • 散热片的尺寸为233 mm x 160 mm x 3.56 mm,符合VITA标准的6U形式因素电子散热片规格。
  • EHP散热片由8个铜-水热管嵌入铝基板中,而PHP则充有丙烯作为工作流体,体积比达到50%。
  • 实验在-10°C、20°C和40°C的操作热沉温度下进行,停止条件为干烧或散热片最大温度达到70°C。
  • 使用准稳态测试方法,从20W开始递增加热功率,记录并分析数据。 ../images/2325c5d503c61449aa26e3f9b2fe49b7_MD5.png

测试条件: - 准稳态性能测试在-10°C、20°C和40°C的热沉温度下进行。 - 测试在干烧或散热片最大温度达到70°C时停止。

实验结果:

  1. 热导率比较
  2. 在-10°C的低热沉温度下,PHP的热导率在低于38 W/cm²的热流下高于EHP。
  3. 当热流高于38 W/cm²时,EHP的热导率超过了PHP。
  4. EHP和PHP在20°C和40°C的热沉温度下的最大热流传输能力均显著高于传统的传导散热片。

../images/5e3104297f23b1ac985f4983f412f469_MD5.png 40°C下测试结果对比。

  1. 热流传输能力
  2. 在-10°C的热沉温度下,PHP在57.3 W/cm²的热流下出现干烧现象,而EHP没有。
  3. 在20°C的热沉温度下,PHP在47.3 W/cm²的热流下出现干烧现象,而EHP的最大热流传输能力略低于78 W/cm²。
  4. 在40°C的热沉温度下,PHP在27.1 W/cm²的热流下出现干烧现象,而EHP的最大热流传输能力略低于50.7 W/cm²。

../images/30bbd3d7df7bc6d0e3b152e11057c254_MD5.png

  1. 干烧现象
  2. EHP在所有测试条件下均未出现干烧现象。
  3. PHP在所有三种热沉温度下均出现了干烧现象,且随着热沉温度的升高,干烧现象发生的最大热流减小。 ../images/640ebaa2eb83eb014eb9b441f944e46e_MD5.png

  4. 性能提升

  5. 与传统的传导散热片相比,EHP和PHP在不同热沉温度下的最大热流传输能力有显著提升。
  6. 在-10°C的热沉温度下,EHP和PHP相比于传统散热片的最大热流传输能力分别提高了3.94倍和2.33倍。
  7. 在20°C的热沉温度下,提升分别为5.78倍和3.5倍。
  8. 在40°C的热沉温度下,提升分别为7.24倍和3.87倍。

这些结论提供了关于EHP和PHP在不同操作条件下的性能比较,为选择适合特定应用的散热技术提供了依据。

结论

  • 在低至中等热流下,PHP在低热沉温度下的热性能优于EHP,直到38 W/cm²。
  • 在更高的热流和热沉温度下,EHP在几乎所有热流下都显示出比PHP更高的热导率。
  • PHP在所有测试中均出现了干烧现象,而EHP没有。
  • 与常规的传导散热片相比,EHP和PHP在不同热沉温度下的最大热流传输能力均有显著提高。

这篇文件提供了两种不同散热技术的详细比较,为高功率密度电子设备的散热提供了有价值的参考。

S. K. Hota, K. -L. Lee, G. Hoeschele, R. Bonner and S. Rokkam, "Experimental Comparison on Thermal Performance of Pulsating Heat Pipe and Embedded Heat Pipe Heat Spreaders," 2023 39th Semiconductor Thermal Measurement, Modeling & Management Symposium (SEMI-THERM), San Jose, CA, USA, 2023, pp. 1-7, doi: 10.23919/SEMI-THERM59981.2023.10267897.

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