三維振蕩熱管應用在芯片冷卻的可行性研究

韓冠楠 周盈盈 凌云志

摘? ? 要：本文提出了三維振蕩熱管應用在芯片冷卻的可行性，并研究其熱阻變化。實驗研究了風速與功率對熱管熱阻的影響，結果表明氣流分布對熱管的運行存在很大影響。

關鍵詞：實驗研究;芯片冷卻;三維振蕩熱管

1? 概況

振蕩熱管是一種新型的熱管，由于其結構簡單，操作靈活，適用性強，已廣泛應用于各種電子設備的冷卻。它也被稱為脈動熱管，由Akachi [1]于20世紀90年代首次引入。震蕩熱管由毛細管制成，毛細管被彎曲成多個回路并注入一定數量的工質。熱管結構包括三個部分：蒸發部分，絕熱部分和冷凝部分。工質在蒸發端受熱蒸發后經由絕熱段在冷凝端放出熱量，形成汽塞液柱交替分布的流體并產生振蕩運動。在這個過程中，風冷系統被廣泛用于熱管冷凝端的散熱過程。

實驗設計了用于電子元器件冷卻的三維振蕩熱管。大量實驗表明三維振蕩熱管具有比傳統熱管更好的性能[2]。實驗研究了風速以及加熱功率對三維振蕩熱管的影響，發現熱阻隨著不同的風速變化而變化。實驗驗證了氣流組織分布對三維振蕩熱管的應用至關重要。眾所周知，風扇單元調節風量具有低消耗，高效率的特點 [3]。本文設計的風扇單元由軸流風扇，導向單元組成，導向單元用于調節風向從而改變氣流組織分布。通過調節風扇單元的轉速以及導向單方向來研究氣流組織分布。

2? 實驗裝置

圖中描繪了三維振蕩熱管的幾何模型。熱管的長度和寬度分別為90mm和90mm。 熱管沿寬度方向具有四層。熱管使用去離子水作為工質，充液率為62%。熱管的內徑為3mm，外徑為5mm。

采用空氣冷卻系統對熱管的性能進行測試，冷卻空氣由室內空調單元提供。送風管的寬度為600mm，高度為150mm。通過控制系統對送風風速和溫度進行調節以便以規定的溫度和速度冷卻震蕩熱管。

3? 多因子設計

采用完全析因設計對CFD結果進行分析以了解設計參數如何影響氣流組織分布。適當的實驗方法設計可有助于實現這一目標[4]。

全因子實驗是一種實驗設計方法，指以多因素（兩個或兩個以上）為研究對象，探求各因素的主效應和因素間的交互效應。其設計由兩個或多個因子組成，每個因子具有離散的可能值或“水平”，并且實驗結果在各因子中采用這些水平的所有可能組合。全因子實驗可以處理更多信息，它允許研究者研究每個因素對響應變量的影響，以及因子之間相互作用對響應變量的影響。

在這項研究中，設計了一個2×2×3因子實驗設計來研究氣流分布。因子G是導向單元的傾斜角度，用于引導氣流的流動方向。因子G具有三個連續的水平：60°用“1”表示，75°用“2”表示，90°用“3”表示。因子V是入口風速。因子V有兩個連續的水平：1m/s用“-”編碼，2m/s用“+”編碼。因子C有兩個分類：以“-”標記的無冷通道設計以及以“+”標記的冷通道設計。

4? 實驗結果分析

4.1? 熱阻分析

總體上熱阻隨著加熱功率的增加而降低。在啟動之前，熱阻的變化范圍很窄，有時甚至會先降低再上升，參考文獻[11]中也報告了相同的結果。同時隨著風速的增加，熱管的熱阻也會降低。當加熱功率較高時，三維振蕩熱管啟動，熱阻隨著加熱功率的增加而降低。隨著風速的增加，熱阻也會增加。可以發現熱阻和風速之間的關系在不同的加熱功率下具有相關性。

4.2? 氣流組織分布分析

當安裝導向單元時，作為一種定向送風方案，氣流呈現出明顯的方向性。由于方向性的存在，第三層服務器的速度變化最大。然而，定向送風會導致空氣回流問題的家居，它可以在矢量圖中用虛線框標記來證明。分析導向單元的效果，我們發現，通常第一層和第二層的速度高于第三層和第四層。

5? 結束語

本文提出了一種用于電子元器件冷卻應用的三維振蕩熱管。在不同的加熱功率和風速下對熱阻進行測試。結果表明，熱阻隨著加熱功率的增加而降低，同時熱阻和空氣速度之間的關系在不同的加熱功率下具有相關性。研究三維振蕩熱管的氣流組織分布。基于CFD方法建立機架級模型，采用風扇單元作為調節器，對機柜的氣流組織分布進行了研究。采用完全析因設計進行實驗分析。通過設置風扇速度，導向單元角度以及通道封閉性作為影響因素，以風速作為響應變量，從而研究了各因素對氣流組織分布的影響。

結果表明，軸流風扇與導向單元結合可以實現定向送風從而改變氣流組織分布。但是，應該考慮以下問題：定向送風會加劇空氣回落問題。而冷通道封閉是一種解決空氣再循環問題的有效方案，其具有成本低廉的特點。在實際運行中，服務器第三層和第四層被定義為具有較大氣流風速的區域，并且它們易受到風扇的影響，這應該被考慮在三維振蕩熱管的應用中。

參考文獻：

[1] Akachi H. Structure of a heat pipe： U.S. Patent 4，921，041[P].1990-5-1.

[2] Ibrahim O T，Monroe J G，Thompson S M，et al. An investigation of a multi-layered oscillating heat pipe additively manufactured from Ti-6Al-4V powder[J].International Journal of Heat and Mass Transfer，2017（108）：1036～1047.

[3] Rahman M L，Sultan R A，Islam T，et al. An experimental investigation on the effect of fin in the performance of closed loop pulsating heat pipe （CLPHP）[J].Procedia Engineering，2015（105）： 137～144.

[4] Kim N H，Choi M H，Kim S Y，et al.Design of experiment （DOE） method considering interaction effect of process parameters for optimization of copper chemical mechanical polishing （CMP） process[J].Microelectronic Engineering，2006（3）： 506～512.