均熱板相變傳熱仿真分析

高羨明，鄭毅，張功學，任佳

（陜西科技大學 機電工程學院，西安 710021）

0 引言

近年來隨著微電子技術的迅猛發(fā)展，電子器件的體積不斷縮小，集成度不斷提高，這使得單位體積內的發(fā)熱量越來越大。因此，為保證電子器件高效、穩(wěn)定地運行，必須利用有效的散熱技術來防止過高的工作溫度。

而均熱板通過內部工質液的相變（氣-液往復循環(huán)）來達到散熱目的，是一種非常高效的散熱方式，它不需要任何移動電源，避免了傳統(tǒng)散熱方式耗電能的劣勢，是一種非常節(jié)能、綠色、環(huán)保的高性能散熱裝置。故本文針對V形、圓弧和形微槽道結構均熱板為研究對象，利用Fluent軟件進行均熱板內部流體域數(shù)值模擬，研究不同的微槽道結構形狀對均熱板散熱性能的影響。

1 課題研究主要內容

從外觀來看，均熱板類似于一種平面板狀物，上下各有一個像蓋的結構相互密合，在密封真空腔體內有支撐柱，通常以去離子水為工作流體[1]。同時，均熱板內部存在于類似毛細管道的微結構，最常見的微結構類型有3種：粉末燒結、金屬網層和平行凹槽[2]。均熱板的工作原理包括傳導、蒸發(fā)、對流、凝結，均熱板在工作時, 內部工質受熱或冷卻時發(fā)生液相到氣相和氣相到液相的相變過程, 可吸收和釋放大量的熱來進行熱量的快速傳遞。

圖1 均熱板工作原理圖

本文以矩形、V形、圓弧U形微槽道結構均熱板為研究對象，由于均熱板內部為密封的真空腔體，很難觀察到其內部流體域變化情況，故利用Fluent軟件進行數(shù)值模擬，分析微槽道結構對流體域參數(shù)變化的影響。因為真實均熱板微槽道結構數(shù)量非常之多，數(shù)值模擬時所耗費的時間長且對硬件設施要求高，故選取從真實均熱板內部切出一個小單元體為仿真模型，運用有限元的思想，以部分代替整體來研究類似毛細管道的微槽道結構形狀對均熱板散熱性能的影響，對比3種結構選出最優(yōu)方案，為均熱板微槽道結構設計提供一些理論依據(jù)，同時本文還研究了3種結構均熱板的均溫性及內部流體域壓力、速度變化情況。

圖2 三種微結構槽道均熱板模型

2 均熱板數(shù)值模擬過程

2.1 三維模型構建

本課題以微結構尺寸如圖3所示，以直徑為6 mm,高度為3 mm的圓盤狀均熱板為研究對象，利用UG三維軟件構建三種微槽道結構，如圖4所示，該模型選取自實際應用均熱板的一個小單元，運用有限元思想，以部分代替整體。將該模型導入Geometry模塊，進行邊界條件定義。

圖3 矩形、V形、圓弧U形微槽道結構尺寸

圖4 矩形、V形、圓弧U形微槽道三維模型

2.2 Mesh網格劃分

本課題使用Mesh自動劃分網格功能，打開Mesh模塊，在樹狀圖下方選擇CFD(計算流體力學)及Fluent(流體)，尺寸高級功能選擇Proximity(打開接近)，運用相關性和相關中心兩個維度來調節(jié)網格大小，選擇合適的網格。

2.3 Fluent參數(shù)設置模塊

Fluent模塊包括7個方面的設置，分別為通用模塊、材料模塊、模型模塊、邊界條件模塊、求解模塊、初始化模塊及計算模塊。

3 主要成果

3.1 3種微結構散熱性能比較

3種微槽道結構均熱板的邊界條件為蒸發(fā)端熱源溫度為573 K，冷凝端冷流溫度為283.15 K，壁面為輻射散熱溫度值為298.15 K，即室溫為25 ℃。根據(jù)均熱板的工作原理，冷凝端會有熱源從蒸發(fā)端傳遞而來，而蒸發(fā)端同樣會有冷流從冷凝端傳遞過來，故通過對比討論3種均熱板（矩形、V形、圓弧U形）冷凝端的溫度最大值Tmax與蒸發(fā)端的溫度最小值Tmin可以判別哪種微結構均熱板傳熱速度的快慢，進而研究均熱板的散熱性能的好壞。

均熱板冷凝端的Tmax越大，其熱源從蒸發(fā)端傳至冷凝端的速度越快，從圖5中可以看出矩形和V形微槽道均熱板的Tmax很接近，其遠遠大于圓弧U形，說明矩形與V形的熱傳遞速度相近大于圓弧U形；均熱板蒸發(fā)端的Tmin越小，其冷流從冷凝端傳至蒸發(fā)端的速度越快，從圖6可以看出矩形和V形微槽道均熱板冷流的Tmin同樣很接近，遠小于U形，也說明矩形與V形的熱傳遞速度相近且大于圓弧U形。因此三種微槽道均熱板的熱傳遞速度矩形與V形接近，圓弧U形最差。

圖5 不同微槽道結構均熱板冷凝端Tmax

圖6 不同微槽道結構均熱板蒸發(fā)端Tmin

傳熱量同樣也是表征均熱板散熱效果好壞的一個參量，圖7表示了3種不同微槽道結構隨時間（從上往下）變化的軸截面溫度云圖，從圖中可以看出這3種結構的溫度云圖均呈梯度式分布，隨著時間的變化，V形槽道均熱板的傳熱量最大，矩形次之，圓弧U形最差。

圖7 矩形、V形、圓弧U形軸界面溫度分布云圖（左列：矩形；中間列：V形；右列：圓弧U形）

因此，通過傳熱速度與傳熱量的兩個維度的分析，最終得出V形槽道具有最好的傳熱效果，即V形微槽道均熱板結構具有最好的散熱效果。

3.2 3種微結構均溫性的研究

均溫性對均熱板的好壞具有很大影響，本課題比較了3種不同微槽道結構蒸發(fā)端與冷凝端的ΔT，從圖8和圖9中可以看出，圓弧U形微槽道均熱板具有最好的均溫性，矩形和V形次之。

3.3 均熱板內部流體域速度變化情況研究

從表1可以看出3種微結構槽道均熱板內部流體域均的速度變化情況較緩慢，這極有可能是因為均熱板是一個無需電源、無需任何移動組件，完全密封的被動式裝置。

表1 不同微槽道結構均熱板軸截面速度隨時間的變化值 m/s

4 結論

1）通過對3種不同微結構槽道均熱板冷凝端Tmax、蒸發(fā)端Tmin和軸截面溫度隨時間變化的云圖進行對比，得出V形微槽道結構均熱板具有最好的散熱效果，其次是矩形，圓弧U形最差。

2）通過對比3種不同微結構槽道均熱板冷凝端與蒸發(fā)端的ΔT，結果表明圓弧U形均溫性最好，矩形與V形均溫性很接近。

圖8 不同微槽道結構均熱板冷凝端ΔT

圖9 不同微槽道結構均熱板蒸發(fā)端ΔT

3）通過對3種不同微結構槽道均熱板軸截面處速度隨時間變化的數(shù)值研究，發(fā)現(xiàn)均熱板內部流體的運動速度處于較緩和的狀態(tài)。