微平板热管热性能的优化分析

贺德佳，张亚平，姬长发，张栓伟

(西安科技大学 能源学院，陕西 西安 710054)

0 引 言

随着电子设备的功耗和集成度的不断增加，设备在高功率运行时会产生大量热能，热量集聚会造成系统运行不稳定和损坏，不均匀的温度分布会在电子器件的内部产生热应力导致热变型，大约超过50%的电子设备由于散热不足而影响工作效率[1]。因此散热问题[2]已成为电子设备实现高效化，微型化的瓶颈[3]，高效的散热技术是今后微电子技术发展的关键。

电子设备常用的散热方式[4]为风冷散热[5]、液冷散热、半导体[6]散热和热管散热，其中热管技术[7]是利用液体工质的相变传热，迅速将热管蒸发段的热量传递到冷凝段，具有极高的传热效率，由于热管内的相变传热使它的热传导效率比普通的纯铜高数十倍，甚至上百倍[8]。

近年来传统热管散热的方式逐渐被微型热管代替[9]，自Cotter在1984年提出“微型热管”的概念以来[10]，微热管的结构从重力型毛细芯热管，发展到具有内部槽道簇蒸汽腔的微平板热管。微平板热管质量轻、结构灵活、散热性能[11]好，在电子元件冷却，设备照明，动力电池等方面都有广泛的应用[12-13]。国内学者对微槽平板热管的微细矩形槽道结构进行了不同的加热功率、充液率及冷凝段冷却方式下的对比实验[14-16]，田中轩等对平板热管在LED散热系统中的应用进行了研究，并确定了热管的最佳充液率[17-20]。赵耀华等利用微通道阵列平板热管与太阳能热水器结合，提出全新平板式太阳能集热技术，具有较高实用价值[21-22]。李红传等将亲水植物型叶片应用于平板热管中，制成仿生毛细芯对其传热性能进行了研究[23-25]。于程等通过可视化实验分析研究了热管不同的启动特性以及蒸发段和冷凝段传热性能的不同变化[26]。

国内学者对微平板热管应用于CPU散热的模拟研究较少，模型的热阻大多依靠热电偶进行测量，文中以CPU芯片为研究对象设计一种微平板热管散热器，对热管热阻进行类复合平壁简化计算，通过数值模拟分析了不同热流密度时微热管模块的温度场，压降以及模型热阻等参数的变化特性，对比铜基板传热特性，分析提出了针对高功率集成度高的功率模块的散热优化方案。

1 建立微热管模块物理模型

微热管利用金属平板内部的蒸汽腔进行热量传递，热管内部腔体边缘为矩形微槽道，液体工质通过微槽道的毛细作用力实现相变回流，热管内部相变换热中影响热管散热能力[27]的因素非常多，比如工作极限，沸腾极限以及毛细极限等[28]，因此引入当量导热系数，文中把微热管的当量导热系数设为40 000 W·(m·K)-1[29]，根据市场散热器规格，将模型简化为40 mm×24 mm×6 mm的长方体散热板。CPU芯片采用25 mm×20 mm×1 mm的长方体，并假设内部为整体结构且各向物性均匀。设置风道来模拟散热器冷凝端空气受迫对流。将进口风道长度延长一倍翅片长度确保进口速度分布均匀，出口风道延长5倍翅片长度确保出口没有回流，图1为微热管模块模型示意图。

图1 微热管模块模型 Fig.1 Micro heat pipe module model

2 数值模拟及换热特性分析

2.1 传热热阻分析

将微热管模型分割为5个热阻区A，B，C，D，E.5个热阻分区并联连接，内部通过串、并联方式连接，热阻模型如图2所示。

图2 热阻模型Fig.2 Resistance model

各部分热阻计算如下

1)R1为热管金属管壳材料的导热热阻

(1)

式中Ri,j为平板热管的热阻，K·W-1；i为不同类别的热阻，K·W-1；j为不同区域的热阻，K·W-1；δm为金属管壳材料导热部分的厚度,m；λm为金属管壳材料导热部分的导热系数，W·(m·K)-1；Am为金属管壳材料导热部分的表面积，m2.

2)R2为CPU热源表面到微热管蒸发端内壁面之间的传热热阻

(2)

式中δs为热源到热管蒸发端内壁面的厚度,m；λs为热源到热管蒸发端内壁面的导热系数，W·(m·K)-1；As为CPU热源底表面的表面积,m2.

3)R3为扩散热阻

(3)

式中k为平板热管当量导热系数，W·(m·K)-1；r为热源的当量半径,m.

4)R4为吸液芯的当量传热热阻。假设吸液芯浸满工质只依靠导热来传递热量

(4)

式中δw为吸液芯的厚度,m；λw为吸液芯的导热系数，W·(m·K)-1；Ac为平板热管冷凝端的表面积,m2.

5)R5为蒸汽腔气液两相换热热阻。微热管的蒸汽腔高度方向长度较小，可忽略R5对热管内部总热阻的影响。

6)R6为冷凝端部分吸液芯的当量热阻，与R2计算方法相同；总热阻利用串、并联电路电阻的计算方法进行计算

(5)

比较热阻之间的大小数量级关系，对热阻关系式进行修正，可以将公式简化为如下形式

∑Rtot=(R2+R4,3+R4,4+R6)φ

(6)

式中φ为热阻修正系数。

2.2 控制方程的选用

热源的控制方程采用能量方程

(7)

热管以及导热翅片的控制方程采用能量守恒方程

(8)

空气流场的控制方程采用动量守恒方程

(9)

2.3 边界条件设置

由于热源输出功率和散热量几乎接近[30]，故将热源底面热流密度作为第二类边界条件，根据雷诺数Re，假定风道流体处于三维层流不可压缩的稳态流动，Viscous选择Laminar.进口空气温度设置为环境温度298.15 K.设置测温点具体研究微热管模块的温度分布情况，如图3所示。

图3 微热管模块测点分布Fig.3 Measuring point distribution of micro heat pipe module

3 模拟结果分析

3.1 基板表面温度场分布

图4是在高热流量180 W，空气流速为3 m·s-1下两散热器的温度场分布，从图4(a)可以看出，微热管模块的温度分布为热源处温度最高，沿X轴方向逐步降低，从热源传入的热量向散热器周围扩散，这符合传热学一般规律。热源表面平均温度约为334.06 K，处于设备工作温度范围内，不影响正常工作。

图4(b)为铜基板散热器的温度场云图，温度变化趋势与图4(a)相似。2种散热方式在相同工况下平均温度相差约7.2 ℃，说明微热管模块散热效果要优于铜基板。这是由于热管利用两相沸腾换热对热源进行扩散，而且文中所设计的微热管微槽道结构不但可以提供液体回流的抽吸力，还能在沸腾循环的过程中保存液体，提高受热表面的沸腾热传递。微热管与导热翅片处等温面较大，有效扩大了散热面积，提高了散热效果，说明微热管模块具有更好的均温性，利于消除电子元件工作时的局部热点。

图4 温度场分布(180 W)Fig.4 Temperature distribution(180 W)

3.2 微热管散热器的温度分布

给定3 m·s-1的空气流速，在不同热源热功率时，各测点的温度如图5所示。 发现热功率越大，对应测点温度越高。测点3，4，6，7分别为图5中沿X轴方向从左往右依次4个点，且测点之间温差均在2.5 ℃以内，说明热量可以均匀扩散传递至微热管上。这是因为微热管能够进行径向传质换热，减小了CPU芯片和散热器接触部分与散热器底部的平均温度梯度，达到降低热阻的目的，充分体现了微热管的均温特性。在工况时340 s后微热管达到稳定状态，表明了微热管具有良好的快速起动特性。

图5 各测点温度变化Fig.5 Temperature of measure point

3.3 热源功率对传热性能的影响

图6为当空气流速为3 m·s-1时热源加热功率对散热器传热性能的影响，随着功率增加，芯片的最高温度呈正比趋势增加。微热管基板的平均温升比铜基板小约5 ℃，在180 W高热流输入时温差最大，达到约8 ℃.图7为热阻与加热功率的关系，随着加热功率的增加，热阻呈减少趋势，这是因为热流密度增加导致管壁温度逐渐上升，液体工质的沸腾现象加强，提高了管内的相变换热，降低了散热器热阻。功率较大时热阻变化逐渐减小，此时液体工质趋于稳定传热状态。微热管模块的热阻主要由热管蒸发端的吸液芯构成，芯体的毛细力和压降直接决定了热管的性能，在180 W高热流量下时微热管热阻仅为0.2 K/W.

图6 芯片温度与加热功率的关系Fig.6 Relationship between chip temperature and heating power

图7 热阻与加热功率的关系Fig.7 Relationship between resistance and heating power

3.4 风道空气流速对传热性能的影响

图8表明了在热流密度180 W时，对比了铜基板模块和微热管模块中的散热器在强迫对流空气流速不同时的芯片温度的变化规律，模拟结果表明在同样空气流速下微热管基板模块的平均温度比铜基板模块的平均温度降低了约9 ℃.在3 m·s-1的空气流速下，180W热流密度时微热管基板的芯片温度只有69 ℃，显示了微热管的良好冷却效果。随着空气流速增大，2种基板的芯片温度呈下降，下降幅度随着流速增大而减小。

图9为2种基板模块在不同风速下的压降对比。随着风速的增大压降不断增加。相比铜基板，微热管基板的压降变化较大，最大风速下微热管的压降比铜基板高约20 Pa.这是因为微热管是以相变换热为主降温较快，快速降温是以消耗大压降为代价，所以单位温度下微热管的压降要大于铜基板。结合图8与图9得知，当空气流速增大时，2种基板模块所消耗的压降都随之增加，压力损失的能量转化成热量传给散热器，导致温度下降趋势减缓，对芯片温度的降低产生抑制。

图8 芯片温度与空气流速的关系Fig.8 Relationship between chip temperature and air velocity

图9 压降与空气流速的关系Fig.9 Relationship between pressure drop and air velocity

3.5 导热翅片对传热性能的影响

图10为微热管模块中散热器的导热翅片数目对芯片温度的影响。从图10可以看出，增加翅片数量可减小芯片的最高温度，这是因为换热表面积变大有利于减小热阻，但增加翅片数目所带来的降温效果越来越不明显，这主要是由于翅片间距变小，边界层的影响增大，导致空气强迫冷却的对流散热性能降低。增加翅片的高度对降低芯片温度的作用较小，因此适当地增加翅片数量能够提升散热器的散热性能。

图10 翅片数量与芯片温度的关系Fig.10 Relationship between number of fin and chip temperature

4 结 论

1)微热管模块的均热性能良好，平均温度比铜基板低约7.2 ℃，与铜基板模块相比具有更好的等温性和快速启动特性，热管测点之间温差在2.5 ℃以内，能有效扩散功率模块整体温度，将集中热源有效扩散至更大面积上，抑制局部热点出现和热应力集中。有望利用热管的快速均温特性来降低结壳热阻，为与电子元件一体化封装提供条件。

2)在高热流冲击时微热管模块显示出能快速扩散集中热源和低热阻的特性。相比铜基板，微热管对于芯片的冷却具有更明显的优势。当加热功率为180 W时微热管模块的芯片温度比铜基板约低8 ℃.在相同工况下铜基板的热阻为微热管热阻的2倍左右。在加热功率180 W时微热管的吸液芯热阻仅仅为0.2 K/W，显示了微热管模块的低热阻特性。

3)在一定空气流速范围内提高风速能强化散热器的强迫对流冷却，对换热效果的提升十分显著，同时能够降低散热器的温度约20 ℃，但是空气流速的增加会导致压降迅速升高，抑制散热器的散热。同时适当地增加导热翅片个数可以提高散热器的换热性能，但是超过一定翅片数量时，芯片的降温效果不明显。改变空气流速和导热翅片的数量都能提高散热器的散热性能，但是对热扩散效果的提升均有临界值，在该试验工况下表明当加热功率为180 W，空气流速为2.5m·s-1时，导热翅片20片的散热效果最优。