平板熱管與熱沉一體化設(shè)計(jì)的散熱分析

于 凱，張 靜，朱恒宣，雒 婧，王 進(jìn)

(河北工業(yè)大學(xué)， 天津 300400)

各種武器裝備系統(tǒng)均離不開集成電路、芯片等高功率電子元件，為保障裝備的正常運(yùn)行，需要考慮包括熱設(shè)計(jì)[1]、電磁兼容設(shè)計(jì)[2]等諸多要求。此外，隨著裝備系統(tǒng)的集成度要求的提高，各電子元件的功率需求不斷增加，電子元件之間堆疊積累的導(dǎo)熱熱阻不斷增大，芯片的散熱問題急需解決。目前，芯片散熱的相關(guān)結(jié)構(gòu)已經(jīng)成為裝備系統(tǒng)的重要組成部分[3]。

傳統(tǒng)的聯(lián)合風(fēng)冷散熱翅片結(jié)構(gòu)[4]，存在熱流量小、散熱速度慢等問題，已不能滿足逐漸微型化的裝備系統(tǒng)的需求?；谙嘧儌鳠岬臒峁苌崞饕云涓邆鳠崴俾省⒋鬅崃髅芏鹊葍?yōu)勢獲得了廣泛的應(yīng)用。在用于芯片散熱的熱管中，具有更大接觸面積的平板熱管是目前學(xué)者的研究熱點(diǎn)[5]。Lefèvre等[6]通過實(shí)驗(yàn)研究了單層篩網(wǎng)、雙層篩網(wǎng)及配合凹槽的篩網(wǎng)對(duì)平板熱管傳熱性能的影響。其結(jié)果表明，配合凹槽的篩網(wǎng)可避免前兩者毛細(xì)極限的限制，實(shí)現(xiàn)高熱流量傳遞，但同時(shí)又受沸騰傳熱自身極限的影響。Chen等[7]在所得的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上，分別采用一維熱阻模型與二維熱阻模型對(duì)平板熱管的熱阻進(jìn)行了計(jì)算模擬及理論分析，為后續(xù)熱管理和電子熱設(shè)計(jì)提供參考。近年來，平板熱管與散熱熱沉的配合使用是主要的研究熱點(diǎn)。Peng等[8]實(shí)驗(yàn)研究了不同空氣流速、工作流體填充率及真空度對(duì)其平板熱管熱性能的影響。Wang等[9]通過實(shí)驗(yàn)和模擬的方法，測試并證實(shí)了所設(shè)計(jì)的新型平板熱管可將散熱效率提高10%～15%。

本研究在上述研究成果的基礎(chǔ)上，提出將平板熱管與熱沉一體化設(shè)計(jì)相結(jié)合的設(shè)計(jì)方案，并基于數(shù)值模擬及熱阻計(jì)算分析工作過程中的散熱效果。

1 平板熱管與熱沉一體化設(shè)計(jì)

1.1 設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)

當(dāng)前，電子電路向高度集成化及微型化方向發(fā)展，高效緊湊和裝配簡便成為對(duì)散熱結(jié)構(gòu)的新要求。本文研究的平板熱管與熱沉一體化設(shè)計(jì)包括兩個(gè)主要結(jié)構(gòu)，即帶翅片的冷凝結(jié)構(gòu)和帶有絲網(wǎng)吸液芯的蒸發(fā)結(jié)構(gòu)，如圖1所示。與傳統(tǒng)平板熱管的冷凝結(jié)構(gòu)不同，在本文的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)里，翅片與冷凝部分是一個(gè)整體，這樣設(shè)計(jì)可去除兩者之間存在的接觸熱阻。此外，在冷凝表面等間距設(shè)置微小矩形凹槽，構(gòu)成異形平板熱管，有利于增加冷凝表面的面積、強(qiáng)化散熱過程。蒸發(fā)結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)平板熱管的蒸發(fā)部分相同，均是在蒸發(fā)表面設(shè)置矩形凹槽，在凹槽內(nèi)布置絲網(wǎng)吸液芯，通過冷凝結(jié)構(gòu)的凸起部分對(duì)絲網(wǎng)吸液芯進(jìn)行縱向固定。

圖1 新型平板熱管設(shè)計(jì)示意圖

此新型平板熱管的材質(zhì)均選用鋁材，絲網(wǎng)吸液芯采用銅燒結(jié)吸液芯結(jié)構(gòu)，吸液芯目數(shù)為500目、厚度為1 mm，絲網(wǎng)吸液芯是在一般的網(wǎng)狀吸液芯的底部增設(shè)了一段粗網(wǎng)眼的絲網(wǎng)，具有一定的儲(chǔ)液能力，可貯留多余的工作液體。根據(jù)熱管工作液體的選用原則，為保證工作液體與平板熱管、吸液芯材料的相容性以及工作液體的熱穩(wěn)定性和經(jīng)濟(jì)性，在此設(shè)計(jì)中選用二次蒸餾的水。

1.2 散熱原理

當(dāng)某熱源產(chǎn)生的熱量加熱到新型平板熱管下方的蒸發(fā)面后，蒸發(fā)面上吸液芯內(nèi)的工作液體開始吸熱蒸發(fā)，將熱源產(chǎn)生的熱量儲(chǔ)存為工作液體的潛熱。工作液體蒸發(fā)形成的蒸汽擴(kuò)散到新型平板熱管上方的各空腔內(nèi)，之后逐漸在冷凝面上凝結(jié)、釋放潛熱，在散熱翅片的作用下，熱量最終傳遞到外界環(huán)境中，實(shí)現(xiàn)對(duì)熱源的散熱效果。冷凝后的工作液體流回吸液芯中，工作液體重新流回到蒸發(fā)面，如圖2所示。通過這種相變傳熱方式，工作液體及其蒸汽在吸液芯與空腔中循環(huán)流動(dòng)，在蒸發(fā)和冷凝過程中儲(chǔ)存和釋放熱量，實(shí)現(xiàn)熱量的高效傳遞。

圖2 新型平板熱管散熱原理

2 新型平板熱管結(jié)構(gòu)的計(jì)算分析

由于新型平板熱管的尺寸較小，制造裝配過程需要較精密的操作設(shè)備，但為了檢驗(yàn)新型平板熱管的散熱性能，本研究采用有限元分析軟件ANSYS Icepak對(duì)其進(jìn)行仿真計(jì)算分析。

2.1 建立幾何模型

在新型平板熱管的散熱中，涉及模型間的導(dǎo)熱過程、與計(jì)算區(qū)域內(nèi)空氣的對(duì)流換熱及輻射換熱過程。本設(shè)計(jì)及模型中各部分結(jié)構(gòu)的尺寸及參數(shù)如表1所示。

表1 Icepak模型尺寸及參數(shù)

其中，模擬熱源的芯片功率為30 W，平板熱管通過創(chuàng)建各向異性導(dǎo)熱材料進(jìn)行模擬，其各向異性導(dǎo)熱系數(shù)根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)設(shè)定。由于計(jì)算熱源面積較大，選用其中的極限各向?qū)嵯禂?shù)作為平板熱管的模擬參數(shù)。在進(jìn)行平板熱管與熱沉非一體化的模擬時(shí)，通過設(shè)置散熱基板接觸面的熱阻對(duì)兩者之間存在的導(dǎo)熱介質(zhì)進(jìn)行模擬。根據(jù)表1中參數(shù)建立的幾何模型如圖3所示。

圖3 新型平板熱管幾何模型

2.2 網(wǎng)格劃分及網(wǎng)格獨(dú)立性分析

為了減少網(wǎng)格數(shù)量同時(shí)提高計(jì)算精度，本文使用非連續(xù)性Mesher-HD網(wǎng)格對(duì)各模塊進(jìn)行網(wǎng)格劃分。圖4展示了模型沿X方向的局部網(wǎng)格劃分圖。

圖4 模型局部網(wǎng)格劃分

為了進(jìn)行網(wǎng)格獨(dú)立性分析，劃分了3種不同數(shù)量的網(wǎng)格，網(wǎng)格1：網(wǎng)格數(shù)233萬、網(wǎng)格2：網(wǎng)格數(shù)116萬、網(wǎng)格3：網(wǎng)格數(shù)64萬，并將各自在不同接觸熱阻Ri條件下的內(nèi)熱阻Rjc進(jìn)行對(duì)比，可以得出內(nèi)熱阻值之間的差異在0.43%～0.65%之間，幾乎保持一致，網(wǎng)格獨(dú)立性分析如圖5所示。在3種網(wǎng)格中，為適當(dāng)減少計(jì)算量同時(shí)確保計(jì)算精度，本文選用網(wǎng)格2進(jìn)行數(shù)值計(jì)算。

圖5 網(wǎng)格獨(dú)立性分析曲線

2.3 控制方程及邊界條件

通過ANSYS Icepak 18.0進(jìn)行建模并使用ANSYS Fluent 18.0進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，計(jì)算涉及的控制方程包括質(zhì)量守恒方程、動(dòng)量守恒方程以及能量守恒方程。為模擬真實(shí)的工作環(huán)境，平板熱管需處于水平狀態(tài)。在計(jì)算區(qū)域的上、下面進(jìn)行開口設(shè)置以模擬空氣對(duì)流過程，并在開口上設(shè)置不同的空氣流速以模擬不同的環(huán)境條件。在求解計(jì)算設(shè)置中，環(huán)境溫度及輻射環(huán)境溫度保持默認(rèn)值20 ℃，計(jì)算區(qū)域外界壓力為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓。模擬過程考慮自然對(duì)流及輻射換熱的影響，設(shè)置重力大小及方向?yàn)?9.8 m/s2，流動(dòng)狀態(tài)為湍流。

2.4 數(shù)據(jù)處理

本文對(duì)新型平板熱管熱阻對(duì)散熱效果的影響進(jìn)行了研究分析。在裝備系統(tǒng)的集成電路中，熱量從熱源端散熱到環(huán)境端的熱阻稱為總熱阻Rja?？偀嶙璧扔趦?nèi)熱阻Rjc與外熱阻Rca之和，其中：

內(nèi)熱阻Rjc表示芯片到殼體的熱阻：

Rjc=(Tj-TC)/P

(1)

外熱阻Rca表示殼體與環(huán)境空氣的熱阻：

Rca=(Tc-Ta)/P

(2)

式中：Tj為芯片結(jié)溫；Tc為管殼溫度；Ta為環(huán)境空氣溫度；P為芯片功率。

內(nèi)熱阻為芯片熱阻與散熱結(jié)構(gòu)熱阻之和，但芯片熱阻是固定的，而散熱結(jié)構(gòu)的熱阻則與設(shè)計(jì)形式、加工工藝及選用材料有關(guān)[10]。本研究針對(duì)新型平板熱管的散熱結(jié)構(gòu)熱阻(即平板熱管與熱沉之間的內(nèi)熱阻)與材料的導(dǎo)熱熱阻進(jìn)行相應(yīng)的分析研究。

3 結(jié)果與討論

3.1 接觸熱阻對(duì)散熱過程的影響

本文首先在相同模型尺寸和參數(shù)與相同溫度和風(fēng)速的條件下，模擬分析了不同接觸熱阻條件對(duì)平板熱管蒸發(fā)面與冷凝面溫度場分布的影響。在風(fēng)速為0、無接觸熱阻時(shí)，此新型平板熱管蒸發(fā)面與冷凝面的溫度分布云圖如圖6所示。

圖6 新型平板熱管溫度云圖

從蒸發(fā)面的溫度云圖中可以看出，熱量在各方向上的散熱較均勻，但中心區(qū)域溫度較高，四周區(qū)域溫度較低，溫差為3.29 ℃。從冷凝面的溫度云圖可以看出，高溫區(qū)域由蒸發(fā)面中的近似方形變?yōu)榻崎L條形。相較于X方向，高溫區(qū)域在Z方向有較大延展，可能是由于散熱翅片(圖6中虛線框)是沿X方向從而強(qiáng)化了此方向散熱。

同時(shí)，結(jié)合最高、最低溫度變化曲線圖(如圖7)，可以發(fā)現(xiàn)蒸發(fā)面、冷凝面溫度隨接觸熱阻的增大而升高。圖7中蒸發(fā)面、冷凝面的各自溫差范圍分別為3.29～3.31 ℃、0.25～1.15 ℃，溫差相對(duì)較小，但隨著接觸熱阻增大，蒸發(fā)面與冷凝面之間的溫差由4.92 ℃逐漸增大到11.89 ℃。總體上看，接觸熱阻越小越有利于降低熱源溫度、實(shí)現(xiàn)平板熱管的均勻化散熱。

圖7 最高最低溫度變化曲線

通過對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理可得出內(nèi)熱阻、總熱阻隨接觸熱阻的變化曲線如圖8所示。圖8中0.0接觸熱阻情況代表此新型平板熱管，其內(nèi)熱阻和總熱阻大小分別為0.22 ℃/W和1.60 ℃/W。并且在接觸熱阻由0.0 ℃/W增至0.5 ℃/W的過程中，內(nèi)熱阻值上升至0.63 ℃/W，增幅達(dá)到186%；總熱阻值上升至1.99 ℃/W，增幅達(dá)到24%?？刂平佑|熱阻的大小對(duì)減小平板熱管熱阻、提高散熱能力具有明顯作用。以上的模擬結(jié)果及數(shù)據(jù)表明，接觸熱阻越小，則總熱阻與內(nèi)熱阻越??；相比于其他有接觸熱阻的情況，如與接觸熱阻為0.1 ℃/W的平板熱管相比，此新型平板熱管至少可將內(nèi)熱阻有效減小28.18%、將總熱阻減小4.77%。

圖8 熱阻變化曲線

3.2 風(fēng)速對(duì)散熱過程的影響

在相同模型尺寸和參數(shù)與相同溫度和接觸熱阻條件下，模擬分析了不同風(fēng)速條件對(duì)新型平板熱管蒸發(fā)面與冷凝面溫度場分布的影響。風(fēng)速V為0.5 m/s，風(fēng)向?yàn)?Y方向時(shí)，新型平板熱管蒸發(fā)面與冷凝面溫度分布如圖9所示。

從蒸發(fā)面的溫度云圖中可以看出，在0.5 m/s風(fēng)速條件下，中心高溫區(qū)域的溫度明顯下降，同時(shí)低溫區(qū)域向四周有明顯延展。從冷凝面溫度云圖可以看出，中間區(qū)域得到有效散熱，溫度較低，但由于受到下方熱空氣的對(duì)流影響，翅片的周圍區(qū)域受到加熱，溫度較高。

圖9 新型平板熱管溫度云圖

最高、最低溫度的變化曲線如圖10，由圖可以發(fā)現(xiàn)，與0風(fēng)速條件下的最高、最低溫度相比，0.15～ 0.45 m/s范圍內(nèi)，各部分結(jié)構(gòu)的最高、最低溫度有明顯的升高，蒸發(fā)面上最高、最低溫度最大分別升高了9.67 ℃、9.53 ℃，冷凝面上最高、最低溫度分別升高了10.24 ℃、10.07 ℃，散熱效果明顯惡化。這是因?yàn)榇朔秶鷥?nèi)的風(fēng)速干擾了翅片間的自然對(duì)流換熱過程，從而導(dǎo)致散熱量減少、溫度上升。

圖10 最高最低溫度變化曲線

在風(fēng)速為0，風(fēng)向?yàn)?Y方向時(shí)，自然對(duì)流起主導(dǎo)作用如圖11所示。可以對(duì)此新型平板熱管進(jìn)行有效的散熱；在風(fēng)速0.35 m/s時(shí)，自然對(duì)流與強(qiáng)制對(duì)流均占據(jù)一定程度的影響作用，從而導(dǎo)致自然對(duì)流與強(qiáng)制對(duì)流產(chǎn)生的氣流相互交匯并形成高溫渦流區(qū)，使得熱量積聚在貼近翅片底端的位置而不能得到有效散失；在風(fēng)速0.5 m/s時(shí)，強(qiáng)制對(duì)流開始占據(jù)主導(dǎo)作用，在強(qiáng)制對(duì)流的影響下，此渦流區(qū)向上方移動(dòng)甚至脫離翅片區(qū)域，從而改善散熱性能，降低此新型平板熱管的溫度。因此，為保證良好的散熱效果應(yīng)控制使用環(huán)境內(nèi)的散熱風(fēng)速，避免處于此風(fēng)速范圍，從而強(qiáng)化翅片間空氣的對(duì)流換熱，提高新型散熱翅片的散熱性能。

對(duì)新型平板熱管空氣粒子跡線圖的分析，可定性估計(jì)主導(dǎo)其散熱效果的散熱方式。對(duì)新型平板熱管的影響程度可通過熱阻分析法得出。通過對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，可得出新型平板熱管的內(nèi)熱阻、總熱阻隨風(fēng)速的變化曲線如圖12所示。在風(fēng)速由0.1 m/s增加到0.35 m/s過程中，總熱阻與內(nèi)熱阻都增至最大值，分別增大了0.33 ℃/W、0.02 ℃/W，而風(fēng)速由0.35 m/s增大到0.45 m/s后，總熱阻與內(nèi)熱阻又分別降低0.30 ℃/W、0.01 ℃/W。綜合考慮風(fēng)速對(duì)總熱阻及內(nèi)熱阻的影響，本研究認(rèn)為風(fēng)速大小應(yīng)合理控制，避免風(fēng)速為0.15～ 0.45 m/s。則可以確?？偀嶙枧c內(nèi)熱阻得到有效減小而不至惡化，從而為此新型平板熱管提供正常的運(yùn)行環(huán)境。

圖11 新型平板熱管空氣粒子跡線

圖12 熱阻變化曲線

4 結(jié)論

1) 提出的平板熱管與熱沉一體化設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)可以通過在冷凝面上設(shè)置凹槽增大其冷凝面積，從而提高散熱效率。此外，熱沉與冷凝部分一體化結(jié)構(gòu)可減小平板熱管與熱沉之間的接觸熱阻，以增大散熱量，并實(shí)現(xiàn)均勻化散熱效果。

2) 在相同風(fēng)速條件下，新型平板熱管蒸發(fā)面與冷凝面的溫度場分布較均勻，溫差范圍分別為3.29～3.31 ℃、0.25～1.15 ℃。同時(shí)，新型平板熱管的設(shè)計(jì)形式可消除接觸熱阻，內(nèi)熱阻與總熱阻達(dá)到最小，最有利于改善散熱性能。

3) 新型平板熱管在不同風(fēng)速條件下具有不同的溫度場分布，并存在一個(gè)最不利于散熱的風(fēng)速范圍(0.15～0.45 m/s)。在此風(fēng)速范圍外，不同風(fēng)速條件均可不同程度地降低內(nèi)熱阻與總熱阻，從而改善新型平板熱管整體結(jié)構(gòu)散熱效果。