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1、集成热管散热器的传热性能测试报告大连理工大学能源与动力学院大连理工大学新能源与节能研究中心二 00 五 年 五 月 八 日2大连理工大学新能源与节能研究中心、及大连理工大学能源与动力学院，受大连白云机电设备厂的委托，对该厂研制的两款用于台式机 CPU 冷却的集成热管散热器，在模拟风洞试验台上进行其传热性能测试，根据测试结果给出该散热器的传热性能综合评价。一、测试内容1一定风速下，不同散热功率的 CPU 表面温度测试；2一定风速下，不同散热功率的集成热管散热器传热热阻测试；3一定风速下，不同散热功率的集成热管散热器温度场测试；4不同风速对集成热管散热器的传热性能影响试验；5集成热管散热器与传统风
2、冷散热器及市场上散热面积相当的SP94 热管散热器的传热性能对比试验。3二、测试样品实物照片 1 ：概念设计（未优化）集成热管 实物照片 3 ：SP94 热管散热器实物照片 2 ：优化后集成热管 实物照片 4 ：纯铜风冷散热器测试样品有：实物照片 1概念设计（未优化）集成热管实物照片 2优化后集成热管实物照片 3SP94 热管散热器4实物照片 4纯铜风冷散热器其中概念设计（未优化）集成热管的几何参数如表 1 所示：表 1 概念设计（未优化）集成热管的几何参数散 热 器 长（ mm）宽（ mm）高 （ mm） 翅 片 长 度L（ mm）翅 片 高 度H（ mm）翅 片 数 量N翅 片 间 距 (
3、mm)翅 片 厚 度t(mm)75 45 75 45 10 240 1 0.08蒸发部蒸汽腔长（mm）蒸 汽 腔宽（mm）蒸 汽 腔高（mm）矩 形 截 面热 管 长（mm）矩 形 截 面热 管 宽（mm）矩 形 截 面热 管 高（mm）矩 形 截 面热 管 数 目（ N）散 热 器 重 量（g）75 45 7 65 2 45 5 268优化后集成热管的几何参数如表 2 所示：表 2 优化后集成热管的几何参数散 热 器 长（ mm）宽（ mm）高 （ mm） 翅 片 长 度L（ mm）翅 片 高 度H（ mm）翅 片 数 量N翅 片 间 距 (mm)翅 片 厚 度t(mm)74 35 70 3
4、5 10 240 15 0.08蒸发部分蒸汽腔长（mm）蒸 汽 腔宽（mm）蒸 汽 腔高（mm）矩 形 截 面热 管 长（mm）矩 形 截 面热 管 宽（mm）矩 形 截 面热 管 高（mm）矩 形 截 面热 管 数 目（ N）散 热 器 重 量（g）40 35 5.5 51 1.5 35 3 142三、实验设备和测试方法1实验装置示意图52. 测试实验台实物照片3 . 实验设备1）台式计算机：用于温度、压力、流速的采集、处理2）多通道温度采集系统1100：用于温度测试3）热线风速仪：用于空气的流速、压力测试4）标准铠装铜康铜热电偶：用于温度测试5）模拟 CPU 的铜棒：用于模拟 CPU 发热
5、66）WYK303 直流稳压电源：用于稳定电压7）接触式调压器：用于模拟发热体的功率调节8）3165 电能分析仪：用于模拟发热体的功率测试9）风洞：用于模拟 CPU 散热风扇，产生风速可控的冷却空气。4. 测试方法本实验完全模拟 CPU 的实际工作条件：用一电加热铜棒模拟CPU 的散热；电加热铜棒的加热功率通过调节接触式调压器的电压来初调，输入电压及功率由 3165 电能分析仪测试；集成热管散热器的精确散热量通过安装在发热体铜棒上的热电偶测得的温度计算获得; CPU 表面温度由安装在被测散热器加热表面的热电偶测得。用风洞模拟风扇的给风，风速可调；风速由热线风速仪测定。集成热管散热器和加热铜棒的
6、温度由标准的铠装铜康铜热电偶测得。热电偶接到多通道温度采集系统 1100 上；温度、压力、流量采集系统与台式计算机相连，各点温度直接在台式计算机上输出。四、测试结果及分析1.散热器传热性能测定的参数1）散热量：在空气强制换热情况下，由散热器换热传递出去的热量，反映了散热器的散热能力。72）CPU 的表面温度：散热器与 CPU 接触的底面温度，它是判定散热器散热效果好坏，以及 CPU 是否能够正常工作的最直接，最根本的判据，该温度一般需低于 70。3）散热器的热阻：散热器与 CPU 接触的底面与周围环境之间的传热热阻，它也是评定散热器性能的重要标准之一。2. 测试结果1）概念设计（未优化）集成热
7、管的测试结果在入口风速均为 2.75 m/s 的情况下，概念设计（未优化）集成热管、纯铜风冷散热器和 SP-94 热管散热器的 CPU 表面温度比较，及其与散热功率之间的关系如图 1 所示。图 1 CPU 表面温度与散热功率间的关系在入口风速均为 2.75 m/s 的情况下，概念设计（未优化）集成热管集成热管散热器、纯铜风冷散热器和 SP-94 热管散热器的传热热阻比较，及其与散热功率之间的关系如图 2 所示。散 热 量 与 CPU表 面 温 度 间 的 曲 线203040506070809040 70 100 130 160 190 220散 热 量 （ W）温度（） 全 铜 风 冷 散 热
8、 器SP-94热 管 散 热 器集 成 热 管 散 热 器8图 2 传热热阻与散热功率间的关系集成热管散热器的表面温度测点分布如图 3 所示。在入口风速均为 2.75 m/s 的情况下，集成热管散热器的表面温度分布与散热功率的关系如图 4 所示。图 3 集成热管散热器的表面温度测点分布示意图风 扇 在 额 定 电 压 12V且 风 速 设 定 在 高 档 的 工 作 条 件 下 ， CPU散热 量 与 热 阻 间 的 曲 线0.10.150.20.250.30.3540 60 80 100120140160180200散 热 量 （ W）热阻（W） 全 铜 风 冷 散 热 器SP-94热 管
9、散 热 器集 成 热 管 散 热 器9图 4 集成热管散热器表面温度分布集成热管散热器在不同风速下散热量与温度之间的关系如图 5所示图 5 不同风速下集成热管散热器的 CPU 表面温度与散热功率间的关系2）优化后集成热管的测试结果在入口风速为 2.75m/s 的情况下，优化后集成热管 CPU 表面温度与散热功率的关系如图 6 所示，优化后集成热管传热热阻与散热功率间的关系如图 7 所示。不 同 风 速 下 集 成 热 管 散 热 器 的 散 热 量 和 模 拟 CPU表 面 温 度曲 线2030405060708040 70 100 130 160 190 220散 热 量 （ W）模拟CPU
10、表面温度（）0.65米 秒1.05米 秒1.8米 秒2.3米 秒2.4米 秒集 成 热 管 散 热 器 上 各 测 点 的 温 度 分 布 曲 线202530354045501 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12各 测 点温度（） 散 热 量 ： 52.66W散 热 量 ： 100.16W散 热 量 ： 138.26W散 热 量 ： 195.16W10图 6 集成热管 CPU 表面温度与散热功率的关系 图 7 集成热管传热热阻与散热功率的关系 五、结 论1集成热管散热器 CPU 表面温度随着散热量的增加而升高。在相同的测试条件下，使用未经优化的概念设计集成热管时，CPU的表面温度
11、在各散热量下均低于纯铜风冷散热器和市场上 SP-94热管散热器，具有最好的散热效果；2在入口风速为 2.75m/s，散热量为 200W 时，未经优化的集成热管散热器的 CPU 表面温度仅为 50.4，远远满足了未来 CPU 在散热量达到 200W 时表面温度低于 70的要求；3在相同的测试条件下，未经优化集成热管散热器的热阻远远低于传统的风冷散热器，测试的传统风冷散热器的热阻都超过了0.27W；在 CPU 的散热量超过 80W 时，未经优化集成热管散热器的平均热阻（0.15 W） ，低于目前市场上最好的 SP-94 热管散热器的热阻（ 0.15 W） 0.01 W 以上；4未经优化集成热管散热
12、器上各测点的温度波动不大，具有良好的等温性，这是目前市场上任何一款散热器所不具有的特性。均11匀的温度场可以提供更大的散热面积，获得更高的换热效率，这也是目前散热器的一个薄弱环节。因此，集成热管散热器是一款理想散热器；5集成热管散热器的散热量随着风速的增加而变大。未经优化的集成热管散热器，在风速为 1.05m/s,散热量为 200W 时，CPU 的表面温度为 79.5；风速在 1.8m/s,散热量为 200W 时，CPU 的表面温度为 70.5。因此，集成热管散热器在风速低于 3m/s,能够很好地满足散热量为 200W 的冷却要求。6优化后的集成热管较未经优化的概念设计集成热管重量降低了47%，体积减小了 28%。在入口风速 2.75m/s，散热功率 200W时，优化后的集成热管 CPU 表面温度低于 55，传热热阻为0.125 W。这些指标均表明优化后的集成热管散热器在风速低于 3m/s, 能够很好地满足散热量为 200W 的冷却要求，即使在更大功率的散热领域也具有很好的潜力。
