微平板熱管熱性能的優(yōu)化分析

賀德佳，張亞平，姬長發(fā)，張栓偉

(西安科技大學(xué) 能源學(xué)院，陜西 西安 710054)

0 引 言

隨著電子設(shè)備的功耗和集成度的不斷增加，設(shè)備在高功率運(yùn)行時(shí)會產(chǎn)生大量熱能，熱量集聚會造成系統(tǒng)運(yùn)行不穩(wěn)定和損壞，不均勻的溫度分布會在電子器件的內(nèi)部產(chǎn)生熱應(yīng)力導(dǎo)致熱變型，大約超過50%的電子設(shè)備由于散熱不足而影響工作效率[1]。因此散熱問題[2]已成為電子設(shè)備實(shí)現(xiàn)高效化，微型化的瓶頸[3]，高效的散熱技術(shù)是今后微電子技術(shù)發(fā)展的關(guān)鍵。

電子設(shè)備常用的散熱方式[4]為風(fēng)冷散熱[5]、液冷散熱、半導(dǎo)體[6]散熱和熱管散熱，其中熱管技術(shù)[7]是利用液體工質(zhì)的相變傳熱，迅速將熱管蒸發(fā)段的熱量傳遞到冷凝段，具有極高的傳熱效率，由于熱管內(nèi)的相變傳熱使它的熱傳導(dǎo)效率比普通的純銅高數(shù)十倍，甚至上百倍[8]。

近年來傳統(tǒng)熱管散熱的方式逐漸被微型熱管代替[9]，自Cotter在1984年提出“微型熱管”的概念以來[10]，微熱管的結(jié)構(gòu)從重力型毛細(xì)芯熱管，發(fā)展到具有內(nèi)部槽道簇蒸汽腔的微平板熱管。微平板熱管質(zhì)量輕、結(jié)構(gòu)靈活、散熱性能[11]好，在電子元件冷卻，設(shè)備照明，動(dòng)力電池等方面都有廣泛的應(yīng)用[12-13]。國內(nèi)學(xué)者對微槽平板熱管的微細(xì)矩形槽道結(jié)構(gòu)進(jìn)行了不同的加熱功率、充液率及冷凝段冷卻方式下的對比實(shí)驗(yàn)[14-16]，田中軒等對平板熱管在LED散熱系統(tǒng)中的應(yīng)用進(jìn)行了研究，并確定了熱管的最佳充液率[17-20]。趙耀華等利用微通道陣列平板熱管與太陽能熱水器結(jié)合，提出全新平板式太陽能集熱技術(shù)，具有較高實(shí)用價(jià)值[21-22]。李紅傳等將親水植物型葉片應(yīng)用于平板熱管中，制成仿生毛細(xì)芯對其傳熱性能進(jìn)行了研究[23-25]。于程等通過可視化實(shí)驗(yàn)分析研究了熱管不同的啟動(dòng)特性以及蒸發(fā)段和冷凝段傳熱性能的不同變化[26]。

國內(nèi)學(xué)者對微平板熱管應(yīng)用于CPU散熱的模擬研究較少，模型的熱阻大多依靠熱電偶進(jìn)行測量，文中以CPU芯片為研究對象設(shè)計(jì)一種微平板熱管散熱器，對熱管熱阻進(jìn)行類復(fù)合平壁簡化計(jì)算，通過數(shù)值模擬分析了不同熱流密度時(shí)微熱管模塊的溫度場，壓降以及模型熱阻等參數(shù)的變化特性，對比銅基板傳熱特性，分析提出了針對高功率集成度高的功率模塊的散熱優(yōu)化方案。

1 建立微熱管模塊物理模型

微熱管利用金屬平板內(nèi)部的蒸汽腔進(jìn)行熱量傳遞，熱管內(nèi)部腔體邊緣為矩形微槽道，液體工質(zhì)通過微槽道的毛細(xì)作用力實(shí)現(xiàn)相變回流，熱管內(nèi)部相變換熱中影響熱管散熱能力[27]的因素非常多，比如工作極限，沸騰極限以及毛細(xì)極限等[28]，因此引入當(dāng)量導(dǎo)熱系數(shù)，文中把微熱管的當(dāng)量導(dǎo)熱系數(shù)設(shè)為40 000 W·(m·K)-1[29]，根據(jù)市場散熱器規(guī)格，將模型簡化為40 mm×24 mm×6 mm的長方體散熱板。CPU芯片采用25 mm×20 mm×1 mm的長方體，并假設(shè)內(nèi)部為整體結(jié)構(gòu)且各向物性均勻。設(shè)置風(fēng)道來模擬散熱器冷凝端空氣受迫對流。將進(jìn)口風(fēng)道長度延長一倍翅片長度確保進(jìn)口速度分布均勻，出口風(fēng)道延長5倍翅片長度確保出口沒有回流，圖1為微熱管模塊模型示意圖。

圖1 微熱管模塊模型 Fig.1 Micro heat pipe module model

2 數(shù)值模擬及換熱特性分析

2.1 傳熱熱阻分析

將微熱管模型分割為5個(gè)熱阻區(qū)A，B，C，D，E.5個(gè)熱阻分區(qū)并聯(lián)連接，內(nèi)部通過串、并聯(lián)方式連接，熱阻模型如圖2所示。

圖2 熱阻模型Fig.2 Resistance model

各部分熱阻計(jì)算如下

1)R1為熱管金屬管殼材料的導(dǎo)熱熱阻

(1)

式中Ri,j為平板熱管的熱阻，K·W-1；i為不同類別的熱阻，K·W-1；j為不同區(qū)域的熱阻，K·W-1；δm為金屬管殼材料導(dǎo)熱部分的厚度,m；λm為金屬管殼材料導(dǎo)熱部分的導(dǎo)熱系數(shù)，W·(m·K)-1；Am為金屬管殼材料導(dǎo)熱部分的表面積，m2.

2)R2為CPU熱源表面到微熱管蒸發(fā)端內(nèi)壁面之間的傳熱熱阻

(2)

式中δs為熱源到熱管蒸發(fā)端內(nèi)壁面的厚度,m；λs為熱源到熱管蒸發(fā)端內(nèi)壁面的導(dǎo)熱系數(shù)，W·(m·K)-1；As為CPU熱源底表面的表面積,m2.

3)R3為擴(kuò)散熱阻

(3)

式中k為平板熱管當(dāng)量導(dǎo)熱系數(shù)，W·(m·K)-1；r為熱源的當(dāng)量半徑,m.

4)R4為吸液芯的當(dāng)量傳熱熱阻。假設(shè)吸液芯浸滿工質(zhì)只依靠導(dǎo)熱來傳遞熱量

(4)

式中δw為吸液芯的厚度,m；λw為吸液芯的導(dǎo)熱系數(shù)，W·(m·K)-1；Ac為平板熱管冷凝端的表面積,m2.

5)R5為蒸汽腔氣液兩相換熱熱阻。微熱管的蒸汽腔高度方向長度較小，可忽略R5對熱管內(nèi)部總熱阻的影響。

6)R6為冷凝端部分吸液芯的當(dāng)量熱阻，與R2計(jì)算方法相同；總熱阻利用串、并聯(lián)電路電阻的計(jì)算方法進(jìn)行計(jì)算

(5)

比較熱阻之間的大小數(shù)量級關(guān)系，對熱阻關(guān)系式進(jìn)行修正，可以將公式簡化為如下形式

∑Rtot=(R2+R4,3+R4,4+R6)φ

(6)

式中φ為熱阻修正系數(shù)。

2.2 控制方程的選用

熱源的控制方程采用能量方程

(7)

熱管以及導(dǎo)熱翅片的控制方程采用能量守恒方程

(8)

空氣流場的控制方程采用動(dòng)量守恒方程

(9)

2.3 邊界條件設(shè)置

由于熱源輸出功率和散熱量幾乎接近[30]，故將熱源底面熱流密度作為第二類邊界條件，根據(jù)雷諾數(shù)Re，假定風(fēng)道流體處于三維層流不可壓縮的穩(wěn)態(tài)流動(dòng)，Viscous選擇Laminar.進(jìn)口空氣溫度設(shè)置為環(huán)境溫度298.15 K.設(shè)置測溫點(diǎn)具體研究微熱管模塊的溫度分布情況，如圖3所示。

圖3 微熱管模塊測點(diǎn)分布Fig.3 Measuring point distribution of micro heat pipe module

3 模擬結(jié)果分析

3.1 基板表面溫度場分布

圖4是在高熱流量180 W，空氣流速為3 m·s-1下兩散熱器的溫度場分布，從圖4(a)可以看出，微熱管模塊的溫度分布為熱源處溫度最高，沿X軸方向逐步降低，從熱源傳入的熱量向散熱器周圍擴(kuò)散，這符合傳熱學(xué)一般規(guī)律。熱源表面平均溫度約為334.06 K，處于設(shè)備工作溫度范圍內(nèi)，不影響正常工作。

圖4(b)為銅基板散熱器的溫度場云圖，溫度變化趨勢與圖4(a)相似。2種散熱方式在相同工況下平均溫度相差約7.2 ℃，說明微熱管模塊散熱效果要優(yōu)于銅基板。這是由于熱管利用兩相沸騰換熱對熱源進(jìn)行擴(kuò)散，而且文中所設(shè)計(jì)的微熱管微槽道結(jié)構(gòu)不但可以提供液體回流的抽吸力，還能在沸騰循環(huán)的過程中保存液體，提高受熱表面的沸騰熱傳遞。微熱管與導(dǎo)熱翅片處等溫面較大，有效擴(kuò)大了散熱面積，提高了散熱效果，說明微熱管模塊具有更好的均溫性，利于消除電子元件工作時(shí)的局部熱點(diǎn)。

圖4 溫度場分布(180 W)Fig.4 Temperature distribution(180 W)

3.2 微熱管散熱器的溫度分布

給定3 m·s-1的空氣流速，在不同熱源熱功率時(shí)，各測點(diǎn)的溫度如圖5所示。 發(fā)現(xiàn)熱功率越大，對應(yīng)測點(diǎn)溫度越高。測點(diǎn)3，4，6，7分別為圖5中沿X軸方向從左往右依次4個(gè)點(diǎn)，且測點(diǎn)之間溫差均在2.5 ℃以內(nèi)，說明熱量可以均勻擴(kuò)散傳遞至微熱管上。這是因?yàn)槲峁苣軌蜻M(jìn)行徑向傳質(zhì)換熱，減小了CPU芯片和散熱器接觸部分與散熱器底部的平均溫度梯度，達(dá)到降低熱阻的目的，充分體現(xiàn)了微熱管的均溫特性。在工況時(shí)340 s后微熱管達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，表明了微熱管具有良好的快速起動(dòng)特性。

圖5 各測點(diǎn)溫度變化Fig.5 Temperature of measure point

3.3 熱源功率對傳熱性能的影響

圖6為當(dāng)空氣流速為3 m·s-1時(shí)熱源加熱功率對散熱器傳熱性能的影響，隨著功率增加，芯片的最高溫度呈正比趨勢增加。微熱管基板的平均溫升比銅基板小約5 ℃，在180 W高熱流輸入時(shí)溫差最大，達(dá)到約8 ℃.圖7為熱阻與加熱功率的關(guān)系，隨著加熱功率的增加，熱阻呈減少趨勢，這是因?yàn)闊崃髅芏仍黾訉?dǎo)致管壁溫度逐漸上升，液體工質(zhì)的沸騰現(xiàn)象加強(qiáng)，提高了管內(nèi)的相變換熱，降低了散熱器熱阻。功率較大時(shí)熱阻變化逐漸減小，此時(shí)液體工質(zhì)趨于穩(wěn)定傳熱狀態(tài)。微熱管模塊的熱阻主要由熱管蒸發(fā)端的吸液芯構(gòu)成，芯體的毛細(xì)力和壓降直接決定了熱管的性能，在180 W高熱流量下時(shí)微熱管熱阻僅為0.2 K/W.

圖6 芯片溫度與加熱功率的關(guān)系Fig.6 Relationship between chip temperature and heating power

圖7 熱阻與加熱功率的關(guān)系Fig.7 Relationship between resistance and heating power

3.4 風(fēng)道空氣流速對傳熱性能的影響

圖8表明了在熱流密度180 W時(shí)，對比了銅基板模塊和微熱管模塊中的散熱器在強(qiáng)迫對流空氣流速不同時(shí)的芯片溫度的變化規(guī)律，模擬結(jié)果表明在同樣空氣流速下微熱管基板模塊的平均溫度比銅基板模塊的平均溫度降低了約9 ℃.在3 m·s-1的空氣流速下，180W熱流密度時(shí)微熱管基板的芯片溫度只有69 ℃，顯示了微熱管的良好冷卻效果。隨著空氣流速增大，2種基板的芯片溫度呈下降，下降幅度隨著流速增大而減小。

圖9為2種基板模塊在不同風(fēng)速下的壓降對比。隨著風(fēng)速的增大壓降不斷增加。相比銅基板，微熱管基板的壓降變化較大，最大風(fēng)速下微熱管的壓降比銅基板高約20 Pa.這是因?yàn)槲峁苁且韵嘧儞Q熱為主降溫較快，快速降溫是以消耗大壓降為代價(jià)，所以單位溫度下微熱管的壓降要大于銅基板。結(jié)合圖8與圖9得知，當(dāng)空氣流速增大時(shí)，2種基板模塊所消耗的壓降都隨之增加，壓力損失的能量轉(zhuǎn)化成熱量傳給散熱器，導(dǎo)致溫度下降趨勢減緩，對芯片溫度的降低產(chǎn)生抑制。

圖8 芯片溫度與空氣流速的關(guān)系Fig.8 Relationship between chip temperature and air velocity

圖9 壓降與空氣流速的關(guān)系Fig.9 Relationship between pressure drop and air velocity

3.5 導(dǎo)熱翅片對傳熱性能的影響

圖10為微熱管模塊中散熱器的導(dǎo)熱翅片數(shù)目對芯片溫度的影響。從圖10可以看出，增加翅片數(shù)量可減小芯片的最高溫度，這是因?yàn)閾Q熱表面積變大有利于減小熱阻，但增加翅片數(shù)目所帶來的降溫效果越來越不明顯，這主要是由于翅片間距變小，邊界層的影響增大，導(dǎo)致空氣強(qiáng)迫冷卻的對流散熱性能降低。增加翅片的高度對降低芯片溫度的作用較小，因此適當(dāng)?shù)卦黾映崞瑪?shù)量能夠提升散熱器的散熱性能。

圖10 翅片數(shù)量與芯片溫度的關(guān)系Fig.10 Relationship between number of fin and chip temperature

4 結(jié) 論

1)微熱管模塊的均熱性能良好，平均溫度比銅基板低約7.2 ℃，與銅基板模塊相比具有更好的等溫性和快速啟動(dòng)特性，熱管測點(diǎn)之間溫差在2.5 ℃以內(nèi)，能有效擴(kuò)散功率模塊整體溫度，將集中熱源有效擴(kuò)散至更大面積上，抑制局部熱點(diǎn)出現(xiàn)和熱應(yīng)力集中。有望利用熱管的快速均溫特性來降低結(jié)殼熱阻，為與電子元件一體化封裝提供條件。

2)在高熱流沖擊時(shí)微熱管模塊顯示出能快速擴(kuò)散集中熱源和低熱阻的特性。相比銅基板，微熱管對于芯片的冷卻具有更明顯的優(yōu)勢。當(dāng)加熱功率為180 W時(shí)微熱管模塊的芯片溫度比銅基板約低8 ℃.在相同工況下銅基板的熱阻為微熱管熱阻的2倍左右。在加熱功率180 W時(shí)微熱管的吸液芯熱阻僅僅為0.2 K/W，顯示了微熱管模塊的低熱阻特性。

3)在一定空氣流速范圍內(nèi)提高風(fēng)速能強(qiáng)化散熱器的強(qiáng)迫對流冷卻，對換熱效果的提升十分顯著，同時(shí)能夠降低散熱器的溫度約20 ℃，但是空氣流速的增加會導(dǎo)致壓降迅速升高，抑制散熱器的散熱。同時(shí)適當(dāng)?shù)卦黾訉?dǎo)熱翅片個(gè)數(shù)可以提高散熱器的換熱性能，但是超過一定翅片數(shù)量時(shí)，芯片的降溫效果不明顯。改變空氣流速和導(dǎo)熱翅片的數(shù)量都能提高散熱器的散熱性能，但是對熱擴(kuò)散效果的提升均有臨界值，在該試驗(yàn)工況下表明當(dāng)加熱功率為180 W，空氣流速為2.5m·s-1時(shí)，導(dǎo)熱翅片20片的散熱效果最優(yōu)。