多脈動冷端熱管散熱器的散熱性能

夏侯國偉，劉業(yè)鵬，王當，劉鶴華

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多脈動冷端熱管散熱器的散熱性能

夏侯國偉，劉業(yè)鵬，王當，劉鶴華

(長沙理工大學能源與動力工程學院，湖南長沙，410076)

為了強化單片板式脈動熱管的傳熱，滿足高功率電子芯片散熱的需要，提出一種具有多脈動冷端結構的熱管散熱器，并對其散熱與啟動性能進行實驗研究。分析充液率、加熱功率對多脈動冷端熱管散熱器傳熱性能及啟動性能的影響，并與單片平板脈動熱管進行對比。研究結果表明: 多脈動冷端熱管散熱器的最佳充液率為25%；多脈動冷端散熱器冷端啟動呈先中間后兩側的順序；啟動時間受充液率影響較小，但隨加熱功率增加而變短且啟動穩(wěn)定性更好；啟動溫度則隨充液率的增加而變大；在相同工況下，多脈動冷端散熱器傳熱及啟動性能明顯比單片平板脈動熱管的優(yōu)。

電子芯片；熱管；傳熱性能；啟動性能

隨著電子工業(yè)快速微型化、高頻化的發(fā)展，電子元件的散熱成為約束性問題，同時也成為國內外的研究熱點。電子元件工作溫度每升高10 ℃，其可靠性減少50%，電子元件55%的失效問題都是由散熱不良引起的[1]。由于脈動熱管具有結構簡單、啟動溫度低、傳熱性能良好、加工制作方便的特點，其在低溫度熱源的傳熱上具有明顯優(yōu)勢。其中，板式脈動熱管因具有完整的接觸平面，便于實現與電子元件的良好接觸，而被視為電子元件的最佳傳熱元件[3]。目前，對板式脈動熱管開展的研究主要集中在通道截面優(yōu)化[5?7]、傳熱性能[8?10]、啟動特性[11?16]等方面。研究表明：板式脈動熱管與其他結構的脈動熱管相比具有顯著的獨特性，非圓截面槽道的脈動熱管比圓截面槽道的脈動熱管傳熱性能更優(yōu)[6]，且傳熱性能受槽道截面形狀、傾角、當量直徑、充液率、工質等因素的影響[9, 17?19]，而啟動性能受充液率[20?22]及傾角[11, 22?23]的影響較大。當前人們對板式脈動熱管的研究均集中在單片平板脈動熱管上。一般而言，CPU電子芯片及普通電氣元器件的工作溫度不得超過65 ℃。對單片板式脈動熱管的傳熱性能研究結果表明：為保證熱源溫度不高于65 ℃，受散熱能力的限制，其散熱功率須控制在50 W以下[23]，已無法滿足現今大功率、高熱流密度電子芯片的散熱需要，因此，開發(fā)一種更強散熱能力的新型熱管很有必要。單片平板脈動熱管在較低加熱功率下具有良好的傳熱效果，但在高加熱功率下，單片平板脈動熱管極易達到傳熱極限，導致傳熱能力快速下降與爆管[11, 15?16, 24]。經分析認為，單片平板脈動熱管之所以不能適應高功率芯片的散熱，是因為只有1個散熱冷端，散熱面積有限致使散熱能力有限。為強化熱管的散熱能力，增加更多冷端不失為一種有效方法。為此，本文作者提出一種具有陣列布置的多脈動冷端散熱器，以滿足高功率電子芯片的散熱需要。針對該新型熱管散熱器展開傳熱及啟動特性實驗研究，分析充液率、加熱功率及傾角對多脈動冷端散熱器傳熱性能和啟動性能的影響，并與單片平板脈動熱管的傳熱性能和啟動性能進行分析對比。

1 實驗對象及實驗方法

研究的多脈動冷端散熱器結構如圖1和圖2所示，外形長×寬×高為75 mm×75 mm×57 mm。該結構熱管散熱器以下簡稱為散熱器。散熱器由蒸發(fā)端、冷凝端組成，其蒸發(fā)端設計為臺階型結構，內置不銹鋼材質網狀毛細填充絲，作用類似于吸液芯、起冷端冷凝液回流及蒸發(fā)端工質均布。蒸發(fā)端小端面與發(fā)熱塊(電子元件)貼合，蒸發(fā)端大端面與冷端相連通，起聯通與冷端引流作用。6片脈動冷端陣列布置于蒸發(fā)端大端面上，其外壁設置散熱翅片，可大幅度增大散熱面積，強化散熱效果。冷端內設置若干并聯脈動槽道，槽道當量直徑滿足Bond數，管內工質傳熱傳質遵循脈動傳熱方式，槽道結構見圖2，每片冷端長度為43.6 mm?？紤]到加工、焊接方便，散熱器材料選用304不銹鋼，工質為去離子蒸餾水，翅片為等截面薄翅片。

與之進行對比的單片平板脈動熱管內部結構與圖2所示的一致，其外形長×寬×高為200 mm× 43 mm×5 mm。熱管內部有多條并聯的互嵌三角形槽道，當量直徑滿足Bond數要求，工質在槽道內實現脈動傳熱。蒸發(fā)、冷凝端長度分別為80 mm和120 mm，殼體為0.5 mm厚304不銹鋼薄板，工質為去離子蒸餾水。

圖1 多脈動冷端散熱器截面和測點布置圖

圖2 平板脈動熱管散熱器冷端槽道

散熱器和單片平板脈動熱管的傳熱性能實驗臺如圖3所示，實驗裝置包括加熱部分、冷卻部分、數據采集部分。加熱部分由加熱塊、變壓器、功率表組成，可實現輸入功率的任意調節(jié)。為減小接觸熱阻對實驗的影響，在散熱器與加熱塊間涂抹導熱硅脂并壓緊。冷卻部分采用CPU散熱風扇對散熱器實現空氣強制對流散熱。數據采集部分由KEITHLEY2700多功能數字表通過精度為0.4%的OmegaTT-K-30-SLE熱電偶對散熱器壁溫實時連續(xù)采集，采集頻率為20 Hz，溫度采集后傳至計算機處理。散熱器和單片平板脈動熱管的溫度測點布置分別如圖1和圖4所示。

熱管傳熱性能及啟動性能的影響因素有充液率、加熱功率。實驗時，通過控制變量法，逐次分析單一變量對散熱器和單片平板脈動熱管傳熱性能、啟動性能的影響。實驗步驟如下：首先確定某一充液率，然后在該充液率下調節(jié)不同的加熱功率，在每個加熱功率下進行散熱性能及啟動性能實驗。充液率的調節(jié)范圍為20%~40%，每次增加5%；加熱功率調節(jié)范圍為50~110 W，每次增加10 W。在實驗過程中，室溫控制在20 ℃，熱管初始真空度為9×10?5Pa。當壁溫在20 min內的波動小于 0.5 ℃時認為系統(tǒng)達到熱平衡。

圖3 傳熱性能實驗臺

圖4 平板脈動熱管散熱器測點布置

2 試驗結果分析與討論

脈動熱管的傳熱性能一般用當量導熱系數或熱阻來評價，但考慮到研究對象的特殊結構(多片冷端及T型臺階的熱端)，軸向橫截面變化很大并且具有多個冷端，因而不便準確計算當量導熱系數和傳熱熱阻。為此，本文對多脈動冷端散熱器的傳熱性能采用熱源溫度予以直接評價，啟動性能則采用初始啟動溫度、啟動時間表征。研究充液率及加熱功率對傳熱與啟動的影響，并與單片平板脈動熱管的性能進行對比。

2.1 充液率對多脈動冷端散熱器熱源溫度的影響

圖5所示為多脈動冷端散熱器在充液率為20%~ 40%時熱源溫度變化。由圖5可知：多脈動冷端散熱器熱源溫度隨著充液率的增加呈現先降低再增加的趨勢，說明充液率存在最佳值，且多脈動冷端熱管散熱器的最佳充液率為25%；當充液率過低時，工質較少，工質的潛熱也較小，則散發(fā)一定熱量時除需要潛熱外還需增加顯熱的散熱比例，這意味著熱管內工質及熱源溫度提高，也說明此時熱管傳熱性能較差；當充液率過高時，管內液態(tài)工質過多，冷端會因液態(tài)工質多而產生流動阻力，不利于氣態(tài)工質到達冷端冷凝放熱，使得實際的潛熱變小，故散發(fā)一定熱量時仍需增加顯熱的散熱比例，同樣會使熱管內工質及熱源溫度提高，傳熱性能下降?？梢?，充液率存在1個最佳值，在該值下工質回流均勻、充分、順利，潛熱與散熱量匹配更合理，顯熱比例不需要增加，此時管內工質溫度及熱源溫度可能下降，熱管傳熱性能提高。

充液率：1—20%；2—25%；3—30%；4—35%；5—40%。

2.2 加熱功率對多脈動冷端散熱器溫度的影響

本文以最佳充液率25%為例進行分析。多脈動冷端散熱器在最佳充液率為25%、加熱功率為50~110 W(每次遞增10 W)、工質為去離子蒸餾水時，進行連續(xù)的傳熱性能實驗，即在每個加熱功率下實驗達到熱平衡后增加加熱功率，直至完成所有加熱功率的實驗。當截取的加熱功率為50，60，90和110 W時的冷、熱端平均溫度變化見圖6。由圖6可知：隨著加熱功率增大，熱源溫度也增大；穩(wěn)定工作時多冷端散熱器蒸發(fā)端平均溫度分別為54，60，76和91 ℃，蒸發(fā)端與冷凝端溫差分別約為7，8，10和12 ℃，說明冷凝端管內工質能有效回流并實現脈動傳熱?？梢姡涸诟呒訜峁β氏?，冷熱端溫度仍可平穩(wěn)上升并達到穩(wěn)定，表明多脈動冷端散熱器能夠滿足更高散熱功率需求。

2.3 多脈動冷端散熱器的啟動性能

2.3.1 充液率對多脈動冷端散熱器啟動性能的影響

在多脈動冷端散熱器在加熱功率為50 W、工質為去離子蒸餾水條件下,不同充液率下的啟動溫度見圖7。由圖7可知：脈動冷端的啟動呈現一定次序，即先中間冷端(對應3號、4號測點)后兩側。其原因是熱管蒸發(fā)端為T型階梯結構，產生于蒸發(fā)端小端面的蒸汽運動時將根據最小阻力原則優(yōu)先流向中間冷端，然后才向兩側冷端流動。其次，特定脈動冷端的啟動時間受充液率影響較小，啟動溫度則隨充液率的增加而變大。以3號測點為例，當充液率為20%，25%，30%和35%時，其啟動時間分別為60，61，60和61 s，啟動溫度(冷端溫度變化時所對應的蒸發(fā)端溫度)分別為32.1，33.2，39.7和42.0 ℃。出現這種情況的原因是充液率越大，冷端通道內液相工質較多，氣相工質較少，脈動冷端完全啟動需要更多的驅動能量和更高的啟動溫度。要指出的是：實驗中脈動冷端各測點啟動并未表現出對稱性，以測點2和5為例，在充液率為25%、加熱功率為50W時，其啟動溫度分別為34.5 ℃和33.2 ℃，啟動時間分別為90 s和80 s。出現這種情況的原因是蒸發(fā)端使添加的不銹鋼絲難以分布均勻，從而導致工質冷端回流出現差異，故即使對稱脈動冷端其啟動也可能表現出非對稱性。啟動對稱性將隨加工、安裝工藝改善而改善。

2.3.2 加熱功率對多脈動冷端散熱器啟動的影響

加熱功率不僅對熱管的傳熱性能有影響，而且對啟動性能也有一定影響。充液率為30%，加熱功率為分別為50 W和80 W時的啟動溫度見圖8。從圖8可見：在各加熱功率下，散熱器的脈動冷端也呈現一定的啟動順序，3號和4號測點所在冷端最先啟動，然后兩側冷端啟動，其原因與前面的相同。其次，加熱功率對啟動時間和啟動穩(wěn)定性影響顯著，當加熱功率80 W、啟動時間明顯短于50 W且加熱功率較高時，啟動穩(wěn)定性越好。經分析認為，加熱功率越大，熱流密度越大，熱端壓力升高越快，工質朝冷端流動的驅動力也越大，所以，熱管啟動速度加快，啟動時間 變短。

1—蒸發(fā)端平均溫度；2—冷凝端平均溫度。

2.4 多脈動冷端散熱器與單片平板脈動熱管的傳熱性能比較

在充液率為25%，工質為去離子蒸餾水，傾角為0°，加熱功率為60 W時單片平板脈動熱管冷、熱端平均溫度變化見圖9。對比圖6中多脈動冷端散熱器在相同加熱條件下的情形發(fā)現：穩(wěn)定工作時，多脈動冷端散熱器和單片平板脈動熱管蒸發(fā)端平均溫度分別為60 ℃和88 ℃，兩者溫差達28 ℃，表明在相同傳熱功率下，多脈動冷端散熱器的傳熱能力遠比單片脈動熱管的強。由此可見：多冷端結構的散熱效果比單冷端結構有很大提升，進一步提高了脈動熱管散熱能力，并滿足更高功率電子芯片散熱要求。

1—測點1；2—測點2；3—測點3；4—測點4；5—測點5；6—測點6；7—蒸發(fā)端。

1—測點1；2—測點2；3—測點3；4—測點4；5—測點5；6—測點6；7—蒸發(fā)端。

2.5 多脈動冷端散熱器與單片平板脈動熱管的啟動性能比較

當單片平板脈動熱管在加熱功率為50 W、傾角為0°時，冷3測點啟動性能隨充液率變化如圖10所示。對比圖10與圖7可知:在相同充液率、相同加熱功率下、傾角為0°時，冷端散熱器的啟動時間相比板式熱管初始啟動時間要短很多，啟動溫度比板式熱管更低。例如，當充液率為25%、加熱功率為50 W、傾角為0°時，多脈動冷端3號測點的啟動時間及啟動溫度分別為61 s和33.2 ℃，單片平板脈動熱管冷3測點的啟動時間及啟動溫度分別為88 s和38.6 ℃。

1—蒸發(fā)端平均溫度；2—冷凝端平均溫度。

充液率：1—15%；2—25%；3—35%；4—45%；5—蒸發(fā)端平均溫度。

3 結論

1) 多脈動冷端散熱器傳熱性能隨充液率的增加先增大后降低，存在25%的最佳充液率。

2) 多脈動冷端散熱器冷端啟動呈先中間后兩側的啟動順序。啟動時間受充液率影響較小，但隨加熱功率的增加而變短且啟動穩(wěn)定性更強；啟動溫度則隨充液率的增加而變大。

3) 在充液率為25%、傾角為0°、加熱功率為60 W時，多脈動冷端散熱器的蒸發(fā)端平均溫度比單片平板脈動熱管平均溫度低28 ℃，傳熱性能顯著提高。

4) 在相同工況下，多脈動冷端散熱器的啟動時間比單片平板脈動熱管的啟動時間短，啟動溫度比單片平板脈動熱管的啟動溫度低，啟動性能明顯提高。

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(編輯 陳燦華)

Thermal performance of multiple pulsating cold end heat pipe radiator

XIAHOU Guowei, LIU Yepeng, WANG Dang, LIU Hehua

(School of Energy and Power Engineering, Changsha Univers ity of Science and Technology, Changsha 410076, China)

In order to enhance the heat transfer in single plate pulsating heat pipe, and meet the needs of high power electronic chip cooling, the cold end heat pipe radiator that has more fluctuating structure was proposed, and the heat dissipation and startup performance were experimentally researched. The influence of charging rate and radiator heating power with pulse cold end heat pipe on the heat transfer performance and startup performance was analyzed, and the pulse cold end heat pipe was compared with single plate pulsating heat pipe. The results show that the best charging rate of pulse cold end heat pipe radiator is 25%.Multiple pulsating cold end on either side of the radiator after cold end is among the first order. Start time affected by charging rate is small, but it is shortened with the increase of heating power and the started stability is stronger. The started temperature increases with the increment of the charging rate. At the same conditions, the heat transfer properties with more pulses cold end radiator and the startup performance are superior to those of the single piece of plate pulsating heat pipe.

electronic chips; heat pipe; heat transfer performance; starting performance

10.11817/j.issn.1672?7207.2017.02.034

TK121

A

1672?7207(2017)02?0533?07

2016?03?10；

2016?05?15

國家自然科學基金資助項目(51376025)；能源高效清潔利用湖南省高校重點實驗室開放基金資助項目(2015NGQ010)；長沙市科技計劃項目(kq1602041) (Project(51376025) supported by the National Natural Science Foundation of China; Project(2015NGQ010) supported by Key Laboratory of Efficient and Clean Energy Utilization of Hunan Province; Project(kq1602041) supported by the Science & Technology Plan of Changsha)

夏侯國偉，副教授，碩士研究生導師，從事高效強化傳熱研究；E-mail: xh_gw@126.com