作者：董德胜，曹勇，刘海静，孙成恺，王国防，倪俊，靳兆峰
摘要：文章通过技术攻关成功研制了耐高压高均匀度的均温板，耐受压力高于 5.6 MPa。设计了试验测试系统，开展了均温板热扩散性能和热响应性测试。热扩散性能测试试验结果显示，研制的均温板试件具有显著的热扩散效 果，测试时试件整体温差不大于 1 ℃。热响应性能试验结果显示，均温板对热源功率变化具有近乎同步响应特征， 表现出了良好的热响应特征。耐高压均温板的研制实现了被动控温手段解决高热流密度难题的目标。
随着芯片、电子元件技术的快速迭代和性能提升， 关键元器件、部组件功率大大增加。一般来说 , 散热功率较大的有源功率器件，如：RF 晶体管和 MMIC 芯片等， 其散热面积相比散热基板散热面积小得多，其控温呈现点状高热流密度特征。对于点状高热流密度问题，常规的控温手段已难以应用，已成为产业应用和产品发展必须解决的问题之一。高热流密度问题的本质是热量在小的局部区域内持续生成，常规控温手段在小的局部区域内的热量排散速率远低于热源发热速率，热量在小的局部区域形成堆积，导致该区域的温度短时间内急剧升高。均温板技术 是基于真空腔均热技术（Vapor Chamber）发展的一类热量均散技术，能够实现高密度热流的快速扩散， 有效降低局部热流密度，将高热流密度控温难题转化为常规控温问题，或将较高复杂程度的高热流密度问题转化为能够实现的控温问题。均温板的结构和工作原理如 图 1 所示，其结构主要包括：结构壳体、毛细结构及工作介质。目前关于均温板的研究多集中在以水、丙酮、乙醇等低饱和气压为工质的均温板研究，受工作温度范围、 介质热传输效率、壳体与介质兼容性、不凝性气体敏感性等问题限制，这些均温板难以应用于高热流密度控温领域。本文选用铝氨组合基于真空腔原理研制了一种可应用于空间环境的耐压型均温板，为空间高热流密度控温难题提供了一种可靠高效的被动控温方案。常规均温板采用低饱和气压介质，内部腔体一般为仅靠边缘支撑的腔体或设置少数支撑柱的腔体；常规均温板整体尺寸较小（一般不大于 100 mm×100 mm）， 内部介质流动路径较短，多采取烧结毛细芯作为吸液芯。相比于低压介质，氨的饱和压力要高的多，如表 1 所示， 在 60 ℃时氨的饱和压力为水饱和压力的 130 多倍，因此设计的均温板腔体必须具备良好的承压能力。考虑到型号应用，本文研制的均温板尺寸为 200 mm×200 mm， 内部介质流动路径相对较长，沿程阻力损失相对较大， 其内部毛细芯需要提供较大的毛细力和较小的阻力损失。本文基于 Workbench 平台采用有限元分析技术对不同结构和参数的模型进行力学性能仿真，分析过程选用适应性较好的非结构网格离散化模型，如图 2 所示。均温板总体上采用多点支撑结构，承压后最大变形量控制在 0.1 mm 以内，仿真过程分析了不同支撑柱形状、支撑柱尺寸、支撑柱分布、槽道弱化等因素对应力和变形的影响，设计的目标是在满足结构强度、热扩散能力、变形量等指标的同时支撑柱数量、支撑柱体积、整体重量、厚度最小。分析结果发现，相对于方形支撑柱采用圆形 支撑柱最大应力明显减小；四周边框尺寸对最大应力和应变影响较大，边框厚度要达到支撑柱直径的 1.5 倍左右；开槽可增大局部应力，基板厚度需要根据槽道形状、尺寸和密度进行调整。均温板结构在满足力学性能要求的同时，还需要满足热学性能要求。本文基于 FloEFD 平台和经验关联公式分析了均温板温度分布和热阻构成，如图 3 所示。根据分析，元器件自身热阻（R0）、元器件与均温板之间的热阻（R1）、壳体导热热阻（R2）及均温板内部蒸发换热热阻（R3）为热量自发热元件扩散至均温板过程中的主要热阻，R0、R1 是升高元器件温度的主要热阻，R2、R3 是影响均温板均温性的主要热阻。均温板性能测试系统主要由恒温水槽、 铝氨热管、高温加热片、大功率电源、数据采集器等组成。均温板样机尺寸为 200 mm× 200 mm，耐压能力优于 5.6 MPa。高温加热片产生的高密热流，经研制的均温板扩散后成为常规密度的热流，然后由常规的铝氨热管传输至冷板。该过程体现了采用被动控温手段尝试解决高密度热流热控难题。高温加热片模拟高功率发热元件，为避免烧毁加热元件应在元件表面粘贴测点；冷板模拟空间热沉。高温加热片、均温板、铝氨热管及冷板之间填充界面材料降低接触热阻。铝氨热管规格为矩形 37.4×19.1 双孔热管，理论最大传热能力达 1 100 W。测试时热源置于均温板端角处，理论上该处为均温板传热能力最不利位置，当热源处于其它区域时相同工况下应具有更佳的均温性，测点在试件表面的分布如图 4 所示，均温板试件的上下侧面均布置有测温点。测试过程采用逐步提升加热功率的方法测试不同热流密度下均温板试件的热扩散性能。测试结果如图 5 所示，不同热流密度对应的加热功率和均温板表面温差如表 2 所示。
根据图 5，随着加热功率和热流密度的增大均温板表面温度、热源温度及均温板表面温差均随之升高。当热流密度为 34.3 W/cm2 ，加热功率为 107.7 W 时均温板试件表面最大温差仅为 0.25 ℃；当热流密度超过 34.3 W/cm2 至本试验热源能够提供的最大热流密度 57.7 W/cm2 ，均温板整体完全能够保持良好的均温性，整体温差不超过 1 ℃，表现出来极强的热扩散效果。受热源加热能力限制，研制的均温板试件极限热扩散能力无法测出。就目前卫星型号关键设备、元器件的极端热流密度而言，本次测试的热流密度范围应该能够覆盖绝大部分卫星型号关键设备、元器件的热流密度范围，本文研制的均温板完全有希望能够解决更高热流密度的问题。常规铝氨热管的最大耐受热流密度约为 3 W/cm2 ，因此本文研制的均温板耐受热流密度能力达到常规热管耐受热流密度能力的 20 倍以上。在测试过程中高温加热片产生的高密度热经过均温板、铝氨热管传递至冷板，实现了采用被动控温手段解决高热流密度控温难题，本文研制的均温板为实现这一目标的关键器件。为了测试均温板各测点对热源功率及开启情况的响应，对均温板开展了热响应测试，测试在图 3 所示的试验系统内开展，热源及测点布置与热流密度测试相同。测试过程通过开启、关闭电源和连续调节热源功率模拟热源工况变化，测试热流密度范围 为：（0.5 ～ 45）W/cm2 ，测试结果如图 6 所示。根据图 6，均温板表面温度和加热片表面温度随热源功率变化具有近乎同步的热响应效果，均温板试件表面温度测点对热源功率变化的响应滞后不大于 8 s，由此说明研制的均温板其内部介质具有极快的传热速度，因此表现出高效热扩散功能。在热响应过程中，各测点温差如图 7 所示，由图可知均温板表面温差在整个测试过程中保持在 1 ℃以内。由此可见，研制的均温板在变工况或瞬态传热过程中仍具有良好的均温性。本文从工质、壳体材料、空间适用性、均温性等多个方面总结对比了本文研制的工程样机与了国内外同类产品，如表 3 所示。根据表 3，本文研制的均温板工程样机在空间适用性、耐受热流密度、均温性、当量导热性能、温度使用范围方面明显优于国内外同类产品。
1）研制的均温板试件具有极强的热扩散性能，在热流密度为 34.3 W/cm2 ，加热功率为 107.7 W 时均温板试件表面平均温差仅为 0.25 ℃。2）当热流密度升高至 57.7 W/cm2 时整体温差小于 0.7 ℃。3）试件对热源功率变化近乎同步响应的特征，表明试件具有良好的热响应性。4）耐压性均温板的研制实现了被动控温手段解决高热流密度难题的目标。
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