一種利用熱管均溫特性的設計和分析方法

摘 要：某電子設備的主要特征是熱源分布不均，局部熱流密度大，且設備的重量和空間有嚴格限制，在保持箱體結和略微增加重量的前提條件下，文章介紹一種利用熱管“熱超導”均溫特性有效提高冷板散熱效率的方法。并運用仿真軟件驗證利用熱管均溫特性能夠降低主要器件節溫約8℃，改善效果明顯。

關鍵詞：熱管；熱流密度；熱仿真

引言

隨著電子元器件的高頻以及集成電路的高密度集成，體積趨于微小化，使得單位體積的發熱功率（熱流密度）急劇增加。傳統的散熱方式在傳熱量、體積、質量和冷卻方式等方面已慢慢不能滿足要求。由于熱管具有極高的導熱性、熱流密度可變性以及優良的等溫性和環境適應性等特點，已成為電子電器設備高效散熱的重要技術之一。目前已知的用于大功率電子元件散熱的熱管式散熱器最高散熱功率已達到200W/cm2[1]。可見，熱管技術是解決高熱流密度散熱問題的途徑之一。

熱管1964年發明于美國洛斯-阿洛莫斯國家實驗室，是一種具有極高導熱性能的傳熱元件，具有良好傳熱性制作，具有結構緊湊、傳熱量大、安裝方便和維護量小等特點，上世紀70年代開始在工業領域大量[2]。它通過在全封閉真空管內工質的汽、液相變來傳遞熱量，具有極高的導熱性，高達純銅導熱能力的上百倍，有“熱超導體”之美稱，熱管兩端溫差很小，具有很好的均溫性。本文中的電子設備因重量、空間等因素限制，無法將模塊熱量直接利用熱管傳遞至熱沉散熱，但可以利用其均溫特性對設備內熱源集中的區域進行熱擴散，以提高散熱效率。

1 問題描述

某航電設備內含標準的6U數據處理模塊、圖像處理模塊等模塊，總功率約110W，最高使用環境溫度70℃。設備結構尺寸：260mm×120mm×195mm（長×寬×高），面積熱流密度為0.052W/cm2。大大超出自然散熱面積熱流密度極限，采用強迫風冷散熱設計。

其中數據處理模塊主CPU熱功率12W，熱流密度達6.4W/cm2，該模塊總功率30W，模塊總熱流密度0.089W/cm2。存在熱源分布不均，局部溫度過高的問題。

2 建模分析

我們使用熱仿真軟件ICEPAK實現的該航電設備的熱設計實例，通過計算使用熱管進行“均溫”前后的溫度計算對比，可以看到熱管在電子設備中作為“均溫器”的具體運用效果。

2.1 原方案計算

對70℃環境下組件穩態工作點進行計算，數據處理模塊主CPU器件節溫115℃，接近其極限耐受節溫125℃，溫度余量不足10%，在此溫度下長期工作將大大縮短其壽命。數據處理模塊冷板溫度分布如圖1。

冷板表面最高溫度99.5℃，最低溫度83.8℃。因熱源不均，存在高溫區，低溫區，因為裝載子卡還存在覆蓋區。高溫區與低溫區溫差10℃以上，表面冷板熱量傳遞路徑存在較大的熱阻。可利用其熱管的均溫特性，將高溫區熱量傳遞至低溫區，加強冷板散熱能力。

2.2 熱管建模

目前較通用的方法是計算熱管的當量熱阻。即把內部復雜的現象等價成導熱現象，由于熱管工質釋放大量潛熱而接近等溫傳熱，相當于發生相變換熱的工質具有很大的導熱系數，一般認為，熱管的當量導熱系數是銅的上百倍[3]，而銅的導熱系數約為398W/（m·K），因此在數值模擬中，設發生相變換熱的蒸汽當量導熱系數為50000W/（m·K），大量實驗表明，蒸汽空間的導熱系數在50000～200000W/（m·K），熱管就相當一個高導熱的基板，以很小的梯度傳熱。

綜述文獻發現目前采用的熱管模擬方法都非常復雜，還沒有建立起對熱管設計的工作參數，熱管用于電子元件冷卻的相關理論研究尚不夠成熟。基于此，本文根據熱管型散熱器的特點，設計了散熱器性能測試系統，并對其進行了實驗研究，考察了散熱功率、傾角、芯體結構等不同時對發熱電子元件表面溫度所產生的影響，采用簡化模擬方法驗證設計結果。故在建立幾何模型過程中做出如下假設[4]：（1）將吸液芯采用由Ferrell等人提出的導熱模型[5]，用當量導熱系數代替吸液芯中復雜的沸騰現象，即將其看成是一種當量導熱系數為50W/（m·K）的金屬層。（2）由于熱管內部蒸汽溫差很小，當量導熱系數很大，故在模擬過程中設蒸汽腔當量導熱系數為50000W/（m·K）。（3）假設壁面導熱不計。熱管則可簡化為三層不同材料的導熱：銅為398W/（m·K）；毛細芯為50W/（m·K）；蒸汽空間為50000W/（m·K）。熱管簡化計算模型如圖2所示。

2.3 熱管散熱效果計算對比

從圖1和圖4的對比可以看出，熱管可以降低高熱流密度區域溫度，高溫區溫度由99℃降為91℃，降幅約8℃，低溫區由87℃升為90度，升幅約3℃。高溫區與低溫區溫差約1℃。溫度分布結果表面，通過熱管的均溫特性，冷板表面溫差大大降低，提高了冷板散熱效率。數據處理模塊主CPU節溫由115℃降為107℃，降幅8℃。與最高允許節溫125℃相差18℃，具有10%的溫度余量量，能夠提高器件壽命，提高高溫工作穩定性。

3 結語與展望

根據該航電設備的結構特點和工作要求，利用熱管均溫特性，解決因為熱源分布不均，造成冷板散熱效率下降的問題。通過熱分析軟件建模分析，利用熱管均溫特性提高冷板散熱效率的方法能夠將主CPU節溫降低約8%。因為該設備的空間和重量限制了熱管只是作為“均溫器”而存在，沒有將其作為設備主要熱量散熱主路徑，大大限制了熱管散熱效果。下一步應用將進一步加強研究，拓展熱管在重量和空間受限的航電設備中使用，更加充分的發揮熱管的散熱特性。

參考文獻

[1]王雪峰，孫志堅，吳存真，等.電子器件冷卻用重力型熱管散熱器的實驗研究[J].電子器件，2004，27（3）：393-396.

[2]李永贊，胡明輔，李勇.熱管技術的研究進展及其工程應用[J].應用能源技術，2008，126（6）.

[3]Cao Y， Gao M. Experiments and analyses of flatminia-ture heat pipes[J].1996，1402-1409.

[4]張亞平，馮全科，余小玲.用于電子冷卻的熱管性能分析[J].流體機械，2008年第36卷第08.

[5]Jaroslaw Legierski， Boguslaw Wiecek， Gilbert deMey. Measurements and simulations of transient characteris2tics of heat p ipes[J]. Microelectronics reliability， 2006（46）：1092115.

作者簡介：張小軍（1978-），男，漢族，陜西漢中人，工程師，碩士，主要從事電子設備熱設計與仿真方面研究。