（工程热物理专业论文）回路型平板热管散热器的设计与实验研究.pdf

摘要 微型化及高性能已经成为现代电子设备发展的主流趋势，从而导致了其热 流密度的迅速提高，电子设备的热设计变得越来越重要。典型的，如电脑c p u 对于性能和频率的要求不断提高，导致了其功耗不断增加，散热问题更为突出。 针对台式机c p u 及其它电子元器件的冷却，提出了一种回路型平板热管散 热器型式。其蒸发段采用平板蒸发器，冷凝段采用翅片风冷冷凝器，工质流动依 靠重力作用自然回流。 用i c e p a k 软件建立了翅片散热器、普通热管散热器和回路型平扳热管散热 器三种模型，数值模拟了三种形式散热器的性能，计算结果表明回路型平板热管 散热器具有较明显的优势。 详述了回路型平板热管散热器的设计过程，以及热管工质的选取方法及工质 充装量的确定，并对设计的散热器进行了制造；建立了散热器性能测试系统，用 电加热铜块模拟发热电子元件，以水和丙酮为工质，测试了不同的加热功率、 风温和风速条件下散热器的性能；并对蒸发器内的沸腾传热特性和冷凝段的冷凝 换热特性进行了实验研究与计算分析。 实验与计算结果表明：随着加热功率即热流密度的增大，沸腾换热系数和 冷凝换热系数增大，散热器总热阻减小；热流密度一定时，风速越大、风温越 高，散热器总热阻越小。以水为工质，在风速3 m s ，风温2 5 4 0 c ，加热功率 4 0 1 0 0 w 时，散热器的总热阻在0 2 5 1 0 4 2 4 c w 之间。散热器具有比较好的 传热性能，基本达到了设计要求，可以作为台式机c p u 或其它电子元器件的散 热器。 文章所采用的蒸发器内沸腾换热及管内冷凝换热计算公式与实验吻合较好， 可以作为回路型平板热管散热器设计的理论公式。 以丙酮作为工质时，散热器性能变差。原因可能是丙酮的汽化潜熟比水小， 以及丙酮易挥发，提高了热管的工作压力。 关键词：回路型平板热管蒸发器冷凝器散热器饱和温度 换热系数热阻沸腾冷凝 jp t，一， ，!111 a b s t r a c t m i n i a t u r i z a t i o na n dh i g hp e r f o r m a n c eh a v eb e e nt h em a i n s t r e a mc u r r e n to f m o r d e ne l e c t r o n i ce q u i p m e n t sd e v e l o p m e n t , w h i c hl e a d si n c r e a s i n gr a p i d l yo ft h e h e a tp o w e ra n dh e a tf l u x t h e r m a ld e s i g no fe l e c t r o n i ce q u i p m e n th a sb e e ni m p o r t a n t m o r ea n dm o r e t y p i c a l l y , s u c ha sc p uo fc o m p u t e r , d e m a n d so fw h i c ht o p e r f o r m a n c ea n d 丘e q u e n c yi sh i g h e ra n dh i g h e r t h eh e a tp o w e ri n c r e a s e ss h a r p l y , c o o l i n gp r o b l e m s t a n d so u t a f l a tp l a t el o o pt h e r m o s y p h o n ( f p l t s ) r a d i a t o rw a sp r o p o s e df o rd e s k t o pp c c p ua n do t h e re l e c t r o n i cc o m p o n e n mc o o l i n gi nt h i sp a p e r t h ee v a p o r a t o ro ff p l t s w a sm a d e do u to faf l a tc o p p e rp l a t e ，ai n t e r s p a c ei n s i d ei tw a se x c a v a t e df o rw o r k i n g f l u i d ，w h i c he v a p o r a t e si ni t t h ec o n d e n s e rw a sm a d eu po ff i nt u b e ；a n dt h ew o r k i n g m e d i u mf l u i d sb yg r a v i t y h e a ts i n kr a d i a t o r , h e a tp i p er a d i t o r , a n df p l t sr a d i a t o rm o d e l sw e r es e tu p u s i n gi c e p a kt o o l ，a n dt h e i rh e a tt r a n s f e rp e r f o r m a n c e sw e r es i m u l a t e dn u m e r i c a l l y r e s u l ts h o w s ：f p l t sr a d i a t o rh a sd i s t i n c ts u p e r i o r i t yi nc p u t e m p e r a t u r e f i l t sr a d i a t o rw a sd e s i g n e di nd e t a i la n df a b r i c a t e d , a n dt h em e t h o do fc h o i c i n g w o r k i n gf l u i da n df i l l e dr a t i ow a se x p l a i n e d aw i n dt u n n e lp e r f o r m a n c et e s t i n g s y s t e m w a ss e tu p b a s e do nt h em e t h o do fs i m u l a t i n ge l e c t r o n i cc o m p o n e n t sw i t ha h e a t i n gc o p p e rb l o c k , ，u s i n gw a t e ra n da c e t o n ea sw o r k i n gf l u i d ，t h ep o r f e r m a n c eo f r a d i a t o ru n d e rd i f f e r e n th e a t i n gp o w e r , d i f f e r e n tc o o l i n gw i n dt e m p e r a t u r ea n d d i f f e r e n tc o o l i n gw i n ds p e e dw e r et e s t e d t h eb o i l i n gh e a tt r a n s f e rc h a r a c t e r i s t i c si n e v a p o r a t o ra n dc o n d e n s i n gh e a tt r a n s f e rc h a r a c t e r i s t i c si nc o n d e n s e rw e r es t u d i e d e x p e r i m e n t a l l ya n dt h e o r e t i c a l l y r e s u l ts h o w s ：t h eb o i l i n gh e a tt r a n s f e rc o e f f i c i e n ta n dc o n d e n s i n gh e a tt r a n s f e r c o e f f i c i e n ti n c r e a s e , t h et o t a lt h e r m a lr e s i s t a n c eo fr a d i a t o rd e c r e a s e sw i t ht h e i n c r e a s i n go fh e a t i n gp o w e r w h e nh e a tf l u xi sg i v e n ，t h et o t a lt h e r m a lr e s i s t a n c e d e c r e a s e sw i t ht h ei n c r e a s i n go fc o o l i n gw i n ds p e e da n dw i n dt e m p e r a t u r e t h er a n g e o ft o t a lt h e r m a lr e s i s t a n c ei sa m o n g0 2 5 1 0 4 2 4 c w ，w h e nw i n ds p e e di s3 m s ， w i n dt e m p e r a t u r ei sa m o n g ：2 5 4 0 c ，h e a t i n gp o w e ri sa m o n g ：4 0 l o o w ，w i t h w a t e r 勰w o r k i n gf l u i d t h eg o o dh e a tt r a n s f e rp e r f o r m a n c eo fr a d i a t o rc a na d d r e s s t h ed e m a n do fc p ua n do t h e re l e c t r o n i cc o m p o n e n t sw i t hh i g hh e a tf l u x t h et h e o r e t i c a l l yr e s u l t su s i n gb o i l i n gh e a tt r a n s f e rf o r m u l aa n dc o n d e n s i n gh e a t t r a n s f e rf o r m u l aa r ei ng o o dg r e e m e n tw i t he x p e r m e n t a lr e s u l t s t h e s ef o r m u l ac a nb e u s e df o rd e s i g no ff p l t sr a d i a t o r s t h ep e r f o r m a n c eo fr a d i a t o rd e c r e a s e sw h e na c e t o n ei su s e da sw o r k i n gf l u i d b e c a u s et h el a t e n th e a to fa c e t o n ei ss m a l l e rt h a nw a t e r , a n di t sv o l a t i l i z a t i o n i n c r e a s e st h ew o r k i n gp r e s s u r eo fh e a tp i p e k e yw o r d s ：f l a tp l a t el o o pt h e r m o s y p h o ne v a p o r a t o r c o n d e n s e rr a d i a t o r s a t u r a t i o n t e m p e r a t u r e h e a tt r a n s f e rc o e f f i c i e n tt h e r m a l r e s i s t a n c e 8 0 i l i n gc o n d e n s i n g i n illl， c c p d f ，f g h ， l ， 肘 p p p m q q r r ， 符号说明 常数 定压比热容，七4 1 ( k g k 1 直径，m 面积，m 2 重力加速度，朋厶2 焓，# u l 船 电流，a 单根冷凝管长度，m 冷凝管总长度，m 分子量 功率， 压力，p a 大气压力，肋 热量， 热流密度，w l m 2 热阻， o l w 雷诺数 面积热阻，m 2 c l w ； 气化潜热，u 培 翅片间距，m 温度， 电压，y 速度，础 含汽率 传热系数，酬( 坍2 目 肋化系数 壁面厚度，所 v i 表面粗糙度，朋 珂 效率， 导热系数，w l ( m k ) p动力粘性系数，坛( m ，s ) l ，运动粘度，m 2 厶 p密度，船i m 3 下标 冷凝段、冷凝器 蒸发段、蒸发器 液体、液相 饱和液体 饱和蒸汽 k s ，u w x 口声6 学号一2 0 4 0 8 1 7 5 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。掘我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其 他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得逝江盘茔或其他教育机构 的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均 己在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：磊彳j 蓟餐签字日期：力胗年月g 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解堂亟盘茎有关保留、使用学位论文的规定，有权 保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借 阅。本人授权逝垄叁茎可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行 检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名： 衍，虱欲 导师签名： 扯嗲 签字日期；尹彳年多月ge l签字日期：2 加占年g 月艿日 浙江大学颂十学位论文第一章绪论 第一章绪论 第一节研究背景及意义 微型化及高性能已经成为现代电子设备发展的主流趋势，从而导致了其热 流密度的迅速提高。由于电子设备的可靠性很大程度上依赖于其温度水平，电 子设备的散热变得越来越重要。 电子设备的主要失效形式之一是热失效，且失效率随温度成指数关系增长。 有的器件在环境温度升高1 0 时，失效率增大一倍以上，被称为1 0 法则。据统 计电子设备的失效有5 5 是温度超过规定的值引起的【1 i 。 i e m p e m t w e 5 5 * v i h a t i 麟 图1 1 、电子元器件失效原因 f i g1 1f a i l u r ei ne l e c t r o n i c sc o m p o n e n t s 表1 1 温度应力引发失效的主要类型【2 j t a b1 , 1m a i n l yt y p e so f i n v a l i d a t i o nb yt e m p e r a t u r es t r e s s 浙江大学硕士学位论文第一章绪论 2 浙征大学硕士学位论文第一章绪论 表1 2 高、低温时部分元器件的失效率及其比值1 3 l t a b1 2i n v a l i d a t i o nr a t eo f5 0 m ce l e c t r o n i cc o m p o n e n t sa th i g ha n dl o wt e m p e r a t u r e a n dt h e i rr a t i o 由表1 1 和表1 2 可见，与低温相比，高温对电子器件的损害更为普遍。 并且大多数电子设备在室温环境下工作，工作温度较高。因此对电子设备而言， 即使工作温度降低1 ，也能使设备的失效率降低一个可观的量值。所以电子设 备的热设计极为重要，完善的热设计能大大地提高电子芯片的可靠性，并能大大 地节约运行费用、增加使用寿命f 4 l 。 第二节电子设各热设计基础 2 1 电子设备热设计概述： 热设计的目的就是通过各种方法使元器件、零部件、设备等在低于规定的温 度环境中工作，以提高可靠性。 一般认为，电子设备经受热应力的作用，源自于三个方面： ( 1 ) 电子设备工作过程中，功率元件耗散的热量，即由电能转换的热能； ( 2 ) 电子设备周围的工作环境，通过导热、对流和热辐射的形式，将热量 传给电子设备； ( 3 ) 电子设备与大气环境产生相对运动时，各种摩擦引起的增温( 如动力 增温等) 所以，热设计的核心就是：没计一个冷却系统，在热源至热沉或散热空间( 环 境) 之间提供一条低热阻通道，保证热量顺利传递出去。 降低热阻主要从两方面入手：一是控制电子元器件的内热阻( 即结热阻) ；二 3 浙江大学颅卜学位论文 第一幸绪论 是控制电子元器件或整机设备的外热阻 电子设备外热阻的控制包括下面几种方式： ( 1 ) 散热：利用空气或液体( 如水、丙酮、酒精、氟利昂等) 作为冷却介 质，靠自然对流或强制对流方式，带走电子设备的热量。 ( 2 ) 制冷：利用热电制冷、固体升华过程吸热、液氮蒸发过程吸热等方式 进行制冷，使设备或器件的工作环境温度低于周围环境环境。 ( 3 ) 恒温：利用相变材料的吸、放热过程，可变导热管的控温特性以及热 电效应，使设备或器件的工作温度严格恒定在某一温度值，保证其工作的稳定性。 ( 4 ) 热管传热：利用热管高效传热的特性，解决大温差环境条件下温度的 均衡，密闭机箱内热量的传递，减少温差对设备的危害。 鉴于电子设备热设计问题在保证军用、民用电子设备的性能及可靠性方面的 重要性和广泛适用性，以及在计算机微型化中的关键作用，美国于2 0 世纪7 0 年 代即开始投入人力、物力进行研究。美国政府和军方颁布了一系列有关电子设备 熟管理、热设计的规范，并明确规定，从方案论证阶段起就必须分析过热引起的 各种后果和危险程度，提供最佳热设计方案，并要求在整个热设计过程中，电子 设备设计工程师、热设计工程师和可靠性工程师要相互制约，密切合作，将热管 理贯穿电子系统和设备设计的全过程。 电子设备的热设计技术，已作为电子元器件、设备和系统可靠性设计的一项 主要内容。国内电子行业已愈来愈重视电子产品的可靠性热设计，尤其是研究用 于航空、航天等部门的高可靠性电子元器件时更是如此i 习 2 2 电子设备热设计的层次 电子设备热设计的层次主要包括系统级( s y s t e m s ) 的热设计、封装级 ( p a c l ( a g e s ) 的热设计和组件级( c o m p o n e n t s ) 的热设计。 图1 2 电子设备热设计的层次 f i g1 2l e v e l so fe l e c t r o n i ce q u i p m e n t st h e r m a ld e s i g n 系统级的热设计即对电子设备机箱、机框及方腔等系统级别的热设计；封装 4 浙江大学硕 学位论文 第一章绪论 级的热设计即对电子模块、散热器、p c b 板级别的热设计；组件级的热设计即对 元器件级别的热设计。 系统级的热设计主要研究电子设备所处环境的温度对其影响。环境温度是电 路板级热分析的重要边界条件，其热设计是采取措施控制环境温度，使电子设备 在适宜的温度环境下工作。 电子设备封装级的热设计在国外发展较为成熟，出现了电子器件封装 ( e l e c t r o n i cp a c k a g i n g ) 专业。电子设备封装级的电子模板和p c b 电路板热设 计是与设备的电路设计、结构设计密切相关同步进行的。对于p c b 电路板基材 进行适当的选择是电子设备封装级热设计的重要内容，除强度，绝缘、介质系数 外，覆铜箔层压板还需要考虑其热性能。 电子设备元器件级的热设计是为了防止器件出现过热或温度交变产生热应 力而失效。材料热性质不匹配是产生热应力的内因，而温度变化是产生热应力的 外因1 3 】 2 3 电子设备热设计的基本问题： ( 1 ) 耗散的热量决定了温升，因此也决定了任一给定结构的温度； ( 2 ) 热量、热阻和温度是热设计中的重要参数； ( 3 ) 热量以导热、对流及辐射传递出去，每种形式传递的热量与其热阻成 反比； 一 ( 4 ) 所有的冷却系统应是最简单又最经济的，并适合于特定的电气和机械、 环境条件，同时满足可靠性要求； ( 5 ) 热设计应与电气设计、结构设计、可靠性设计同时进行，当出现矛盾 时，应进行权衡分析，折衷解决；但不得损害电气性能，并符合可靠性要求，使 设备的寿命周期费用降至最低； ( 6 ) 热设计应考虑的因素包括：结构与尺寸、功耗、产品的经济性、与所 要求的元器件的失效率相应的温度极限、电路布局、工作环境等； ( 7 ) 热设计中允许有较大的误差； ( 8 ) 在设计过程的早期阶段应对冷却系统进行数值分析和计算。 2 4 电子设备热设计应遵循的原则： ( 1 ) 热设计应与电气设计，结构设计同时进行，使三者相互兼顾； ( 2 ) 热设计应遵循相应的国际、国内标准、行业标准； ( 3 ) 热设计应满足产品的可靠性要求。以保证设备内的元器件均能在设定 5 浙江大学硕士学位论文第一章绪论 的热环境中长期正常工作； ( 4 ) 每个元器件的参数选择及安装位置与方式必须符合散热要求； ( 5 ) 在规定的使用期限内，冷却系统( 如风扇等) 的故障率应比元件的故障 率低； ( 6 ) 在进行热设计时，应考虑相应的设计余量，以避免使用过程中因工况 发生变化而引起的热耗散及流动阻力的增加； ( 7 ) 热设计不能盲目加大散热余量，尽量使用自然对流或低转速风扇等可 靠性高的冷却方式。使用风扇冷却时，要保证噪音指标符合标准要求； ( 8 ) 热设计应考虑产品的经济性指标，在保证散热的前提下使其结构简单、 可靠且体积最小、成本最低； ( 9 ) 冷却系统要便于监控与维护1 6 l 。 2 5 电子设备热分析软件介绍： 热分析的目的是以最好的经济效益获得热设计所需的准确信息，是热设计的 基础。由于热分析不需要消耗硬件，其成本较热测试低，这使得热分析广泛用于 预测许多器件热可靠性的温度和故障，以及为需要进行热测试的产品和器件确定 最有效的测试方案。随着计算机软、硬件技术的发展，热分析技术的精度越来越 高，成本越来越低，它在提高电子设备可靠性热设计的质量、降低系统全寿命费 用方面正起着越来越重要的作用【4 】。 当前流行的热分析软件种类比较多，用的较多的主要有f l o t h e r m ，i c e p a k ， s i n d a g ，a n s y s 等。 相比之下，f l o t 脏r m 和i c e p a k 具有专业热分析软件的优越性。f l o t h e r m 是 英国的f l o m e r i c s 公司开发的第一套针对电子业界散热标准的电子设备热分析 软件。i c e p a k 是美国f l u e n t 公司开发的热分析软件，是专业的、面向工程师的 电子产品热分析软件，其广泛应用于通讯、汽车及航空电子设备、电源设备，通 用电器及家电等领域。 一 两者都具有专业的流体动力学( c f d ：c o m p u t a t i o n a lf l u i dd y n a m i c ) 求解器， 能够分析各种流体状态。同时，它们提供了电子设备热分析中常见的所有组件， 使得电子设备热分析的建模非常简单。两者都为用户提供了材料库和风扇库等， 用户可以直接调用。还可以往材料库中添加用户自定义的材料类型，以方便用户 的实际使用。两者都可以进行电子设备系统级、封装级、元器件级别的热分析。 另外，i c e p a k 具有比f l o t h e r m 更为强大的网格划分能力；并且由于使用的 是f l u e n t 求解器，还具有计算精度高的优点 6 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论 s i n d a g 主要用于温度场和热控制计算，是基于集总参数和热阻一热容节 点网络，采用有限差分数值方法设计开发的专业热分析软件。包括大量计算求解 器、库函数和开放式的用户开发环境，具有很广的应用范围。但是，由于它进入 中国的时间不算太长，所以到目前为止应用群体还不是很广泛。 a n s y s 是一个融结构、热、流体、电磁、声学为一体的大型通用有限元分析 软件。在热分析功能方面，它除了分析独立的温度场以外，还具有多物理场耦合 分析功能，允许在同一模型上进行各种耦合计算，如热一结构耦合、甚至电一磁 一流体一热耦合。但是，作为一个集多种分析于一体的大型通用软件，它在热分 析方面的功能不如前面三种软件专业，它不能摆脱对用户相关知识的较高要求。 应用中，需要用户具有很强的有限元和传热学方面的知识背景和对a n s y s 软件比 较深入的学习l “。 第三节电子设备的冷却方式 电子设备的冷却也就是控制电子设备的外热阻。 电子设备的冷却方式包括空气冷却( 分为自然冷却和强制冷却) 、液体冷却 ( 有直接液体冷却和问接液体冷却等) 、相变冷却、半导体制冷、热管散热、复合 冷却系统等。 3 1 空气冷却：包括自然冷却和强制冷却 自然冷却的方法由于不需加动力( 如风机泵或压缩空气等) ，故无机械部件失 效和损坏的问题，一般用于功率密度不高的电子设备中。 强制空气冷却方法应用极为广泛，尤其是普遍应用在对c p u 芯片的冷却降 温。当电子设备的功耗密度超过0 1 5 5w c l n 2 ，电子元器件功耗超过i o w 时， 仅靠自然冷却是不够的，一般需考虑采用强制空气冷却的方法l 埘。强制风冷技术 的优点在于体积小，可靠性高，便于维修，只需增加风扇等较低的成本即可进行 冷却，简单实用。 3 2 液体冷却：包括直接液体冷却和间接液体冷却 直接液体冷却指发热的电子元器件直接与冷却剂相接触，热量由冷却剂传给 机柜，再由机柜与周围环境进行热交换。间接液体冷却指发热电子元器件不直接 与冷却剂接触，而是通过一种称为。冷板”的装置间接进行热交换。 液体冷却的优点是可以利用较小的功率消耗达到液体的循环流动，工作噪声 7 浙江大学颂十学位论文第一章绪论 很小、可以利用多种方式完成散热过程；热负载能力很大，可以通过液体在管路 里的流动实现热量的定向转移i 叽。 问题是需要较复杂的液体冷却设备，而且还有漏液的隐患；由于泵等组件数 量增加，可靠性降低，成本上升；并且使整体设计自由度相对受到限制。 气体或液体在压差作用下通过一个圆形或窄缝形喷嘴垂直( 或成一定角度) 地喷射到被冷却的表面上，从而使直接受到冲击的区域产生很强的换热效果，这 种方式称为射流冲击冷却。强制空气冷却是射流冲击冷却的一种。 3 3 半导体制冷( 热电制冷) 它是热电效应( 主要是帕尔贴效应) 在制冷技术方面的应用。热电制冷器实现 了热量从低温物体郅高温物体的迁移。冷面温度可以低于环境温度，有的甚至可 以达到o 以下。而且无运动部件，制冷迅速。 盒量x 图1 3 、半导体制冷原理图 f i g1 0 3s c h e m a t i co fs e m i c o n d u c t o r - r e f r i g e r a t i o n 缺点是发热面温度相当高，本身仍有一个散热问题需解决；冷端温度过低出 现结露可能导致短路的现象发生；需采用5 v 电压的电源或外界稳压电源，有一 定的不安全因素与副作用；并且目前工艺还不成熟，价格较高。 3 4 热管散热 热管由纯度极高的无氧铜管和铜网制成，里面充有适量的液体作为散热介 质，当受热端将液体蒸发成气体时，这些热的气体能在真空的管道中迅速到达管 道的冷却端冷却成液体，冷凝后的液体再通过铜网组成的毛细组织回到受热端。 采用热管散热可在很小的温差下传递大量的热能【9 1 热管有极高的传热能力，有近超导热体之称，它比良好的金属导体的导热系 数大1 0 3 1 0 6 倍。使用毛细芯，热管也能在失重或逆重力的情况下工作。它广泛 用于冷却各种半导体器件，大功率微波器件、印制电路板集成块以及机箱机柜等。 8 浙江大学硕t 学位论文第一章绪论 3 5 相变冷却 相变冷却是利用化学物质( 如干冰、液氮) 在相变( 如固体融化、液体蒸发 或固体升华) 过程中吸热或放热的现象进行冷却。 液体蒸发冷却可提供高达2 k w c m 2 的换热量，成为目前最有效的冷却方式。 它包括直接浸渍蒸发冷却，喷雾冷却和间接蒸发冷却等。优点是冷却速度快；缺 点是价格昂贵且持续时间短。 现在，有很多冷却系统是将不同的散热方式结合起来，充分利用不同方式的 优点，从而可以更有效的达到散热的目的，被称为复合冷却系统，如热电一热管 复合冷却系统【1 0 】等。 第四节c p u 冷却及其散热器 c p u 作为电脑的核心，直接关系到电脑的性能。目前主流的i n t e lp e n t i u m4 和a i i dm h l o nx p ，轻轻松松就达到几十瓦的功耗，p r e s c o t t 核心p e n t i u m43 2 e 更拥有超过i o o w 的功耗。而随着处理器对于性能和频率的要求不断提高，又 导致了双核甚至多核芯片处理器的诞生。多核芯片将会成为处理器发展史上最重 要的改进之一。但是，多核处理器面临的最大挑战之一就是处理器能耗的极限。 根据著名的汤氏硬件网站得到的文件显示，代号s m i t h f i e l d 的c p u 热设计功耗 高达1 3 0 w ，比现在的p r e s c o t t 处理器又高了1 3 。c p u 差不多成了一个“小型 核电厂”了，所以多核处理器的冷却问题将更为突出。 从现时的c p u 散热器来看，热管加上散热片的方式逐渐成为时下c p u 散热 器的一种趋势。目前，各c p u 散热器厂商都纷纷推出了以热管作为导热材料的 散热器。如：c o o l e r m a s t e r ( 联毅电子( 惠州) 有限公司) 、t h e r m a l t a k e ( 北京 耀越宏展科技有限公司) 、t h e r m a l r i g h t ( 利民，台湾) 、康戴尔电子( 深圳) 有 限公司、九州风神( 北京九州风神工贸有限责任公司) 、a v c ( 奇宏科技( 台湾) 股份有限公司) 、东泰科技( 台州) 有限公司等。 下面是几款市场上已有的c p u 热管散热器： 9 浙江大学硕十学位论文第一章绪论 图1 4 几款c p u 热管散热器 f g1 4s e r e v lh e a tp i p er a d i a t o r sf o rc p uc o o l i n g 这些散热器厂家不但采用了热管作为散热器的导热材料，还在翅片形式、风 扇性能、吹风方式等方面极尽所能。如仅仅吹风方式就有侧吹风、顶吹风、内置 风扇，梅花形风扇框架、风洞等各种招数。 浙江大学顾十学位论文第一章绪论 总的来说，这些热管散热器的特点有： ( 1 ) 功率大：热管散热器由于使用了高效传热的热管，其散热性能大幅度 提高，能满足c p u 高发热量、高热流密度散热需求，提高c p u 频率和性能。 ( 2 ) 噪音低：热管传热性能好，可以降低散热器的风扇转速，甚至完全取 消风扇，实现低噪音甚至完全静音。 ( 3 ) 价格高：因为目前热管的成本还比较高，导致热管散热器价格昂贵。 像c o o l e r m a s t e r 的h y p e r 6 、h y p e r 6 + 、h y p e r 4 8 ，九州风神的s n o w m a nu g o ， 急冻王热管散热器海豚c d - 9 0 1 等都在4 0 0 元左右。 ( 4 ) 重量大：热管散热器往往使用铜质散热片以增强散热效果，结果导致 散热器重量较大。九州风神的s n o w m a nu 9 0 的重量竞达1 0 7 0 克，其它大部分 也都在5 0 0 克以上，这对于c p u 的承重能力也是一个考验 另外，水冷散热器也是c p u 冷却的一种方式。水冷散热器的四个主要部件 如下图： 图1 5 水冷散热器的四个主要部件 f i g1 5m a i n l yp a r t so f w a t c rc o o l i n gr a d i a t o r 目前，t h e r m a l t a k e 是积极推出水冷散热器的厂家之一，其产品如下图： 图1 6t tc l - w 0 0 5 2 1 1 浙江大学颂十学位论文第一幸绪论 其他产品还有技嘉的3 dg a l a x y ( 图1 8 ) 等： 图i 8 技嘉3 dg a l a x y 水冷散热器特点：( i ) 散热效果好，稳定；( 2 ) 部件多；( 3 ) 价格高。 回路型热管散热器( 图1 9 ) 由蒸发器、冷凝器、气体管和液体管组成。其 结构形式与水冷散热器十分类似，不同的是热管散热器中工质有相变发生，并且 冷却介质依靠毛细力或重力进行循环，不需要水泵等动力部件。 图1 9 微小型回路热管散热器 f i g1 9m i n i a t u r el o o ph e a tp i p er a d i a t o r 另外，回路型热管散热器还具有以下优点： ( 1 ) 与普通热管散热器相比：a 、冷凝器布置方便，可以远离c p u ，放置于 机箱中易于散热的位置。这样在高效散热的同时，彻底解除了散热器对c p u 的 重压负担；b 、采用平板蒸发器，底板温度均匀，平板蒸发器与发热元件接触面 积大，便于集热； ( 2 ) 与水冷散热器相比：a 、价格低；b 、系统简单，不需要水泵、水箱。 浙江大学碗卜学位论文第一章绪论 第五节回路型热管散热器 5 1 回路型热管优点： ( 1 ) 蒸汽和液体有各自的流道，使蒸发段和冷凝段间的热阻大大减低，从 而大大提高热流密度；( 2 ) 当应用于电子元器件，由于空间的限制不能直接散热 时，回路型热管可以将电子元器件表面的热量远距离传送后散热；( 3 ) 采用平板 蒸发器的回路型热管，我们称其为回路型平板热管( f l a tp l a t el o o ph e a tp i p e ： f p l ) ，其蒸发器底板温度均匀，与发热元件接触面积大，便于集热。 尤其是小型化的回路型热管( m l h p ) 在高热流密度电子设备冷却方面有很大 的发展前景，小型的f p l ( m f p l ) 将逐渐成为一个发展方向。由于m f p l 在集热板 上的等温性好，传热能力大，重量轻；并且蒸发器的集热板是平面的，与发热元 件之间的装配方便，这些优点使m f p l 具有很好的发展应用前景i 玎】。 5 2 三种形式散热器性能的比较： 我们针对台式机的c p u 冷却，建立了翅片散热器、普通热管散热器和回路型 平板热管散热器三种形式的散热器模型( 见图1 1 0 ) ，利用i c e p a k 软件对其散 热性能进行分析。 图1 1 0 三种型式c p i j 散热器模型 f i g1 1 0t h r e em o d e l so fc p ur a d i a t o r s 在i c e p a k 里面建立机箱模型( 图1 1 1 ) ：机箱大小4 0 x 4 0 x 1 8 c m ，机箱里 放置的发热元器件主要有主板( 8 w ) 、显卡( 1 0 w ) 、硬盘( 1 5 w ) 和电源( 5 w ) 等。计算c p u 功率分别为5 0 、7 5 、1 0 0 、1 2 5w 时的最高温度。 浙江大学硕十学位论文 第一章绪论 闰i i i 机箱模型 f i g1 i ig o d e lo fd e s k t o pp cc a b i n e t 检查模型，划分网格并检查网格质量，设置环境温度3 5 c 、压力l a t m ，考 虑重力影响，采用紊流2 方程模型( 标准k - - e 模型) ；设置迭代次数及收敛条件， 改变松弛因子，进行计算。 计算结果c p u 的最高温度( ) 见图1 1 2 ： 翅片散热器 p 趟 赠 7 5i 0 0 c l d 功率。 图1 1 2 不同功率下c p u 的最高温度 f i 9 1 1 2 t h e h i g h e s t t e m p e r a t u r e o f c p u v s t h ep o w e r o f c p u 由图1 1 2 可见热管散热器尤其是回路型平板热管散热器具有较明显的散热 优势。原因就是其蒸发器底面均温性好，其冷凝器可以离开c p u 较远，通过热 管把热量带到了机箱边上的出风口附近，便于散热。 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论 5 3 回路型热管散热器的研究现状： 回路型热管研究比较多的主要是回路型振荡热管( l o o pp u l s a t i n gh e a t p i p e ：l p h t ) 和回路型热虹吸管( l o o pt h e r m o s y p h o n ：l t s ) ，本文所谈论的热管 散热器属于后一种型式。由于可以借助于重力使液体回流，回路型热虹吸管可以 仅在蒸发器或者冷凝器内布置毛细芯( 又叫毛细泵吸环路：c a p i l l a r yp u m p e d l o o p ：c p l ) 1 1 2 1 ，也可以完全不使用毛细芯。不使用毛细芯的热虹吸管，结构简单、 加工方便，工质流动稳定可靠、管路布置灵活。 对用于电子元器件冷却的l t s 散热器，国内外相关的研究还不是很多。对用 于笔记本电脑c p i j 冷却的微型l t s 的实验与应用研究相对多一些1 1 扣1 9 1 ，而对用 于台式机c p u 冷却的l t s 散热器研究还比较少。 竖直布置的l t s 运行的基本概念可以在文献 2 0 3 里找到；文献 2 1 3 给出了回 路型平板热管( 竖直安装) 的测试数据，以用于c p u 冷却；文献 2 2 对两种电子 设备冷却用l t s ( 图1 1 3 1 1 4 ) 进行了实验研究。 图1 1 3 以甲醇为工质、采用铜块进行加热的u 型l t s 热管结构详图 f i g1 1 3c o n f i g u r a t m na n dd e m i l so ft h es q u a r eu - t u b el t st e s t e dw i t ht h ec o p p e rm o c k sa n d m e t h a n o la saw o r k i n gf l u i d 浙江大学硕士学位论文第一章绪论 c a l m l l a r yl n i l n i t 图1 1 4 传输管水平放置的l t s 结构 f i g1 1 4c o n f i g u r a t i o no ft h el t sw i t hh o r i z o n t a lt r a n s p o r tl i n e s 文献 2 3 2 5 建立了如图1 1 5 所示的l t s 散热器，实验研究了蒸发器及蒸 汽管内的压力降以及蒸发器内的传热特性。文献 2 5 3 重点研究了压力对沸腾传热 系数的影响，认为压力增大使汽化核心数目增多，沸腾换热系数增大。 图1 1 5 熟虹吸管示意图 1 1 5 s c h e m a t i cd r a w i n g o f t h e t h e r m o s y p h o ns y s t e m 文献 2 6 j 开发的回路型平板热管( f p l t s ) 散热器如图1 1 6 1 1 7 所示。该 文重点研究并改进了蒸发器内部的结构，以利于蒸汽分离。 ，引1 浙江大学硕十学位论史第一章绪论 图1 1 6 回路型平板热管散热器 f i g1 1 6 s c h e m a t i co ff l a tp l a t el o o pt h e r i n o s y p h o nr a d i a t o r 图1 1 7 回路型平板热管散热器的蒸发器 f i g1 1 7 t h ee v a p o r a t o rs t r u c t u r eo f f i a tp l a t el o o pt h e r m o s y p h o nr a d i a t o r 文献 2 7 实验研究了加热功率、充液率以及蒸发器与冷凝器间的距离对毛细 泵吸环路( 图1 1 8 ) 热阻的影响。得出结论：在一定的范围内，其热阻随着加 热功率以及蒸发器与冷凝器间距离的增大而减小。因为加热功率越大，蒸汽的质 量流量越大，间距越大由液体与蒸汽密度差产生的驱动力越大。热阻随充装量的 增加先减小后增加，充装量5 0 时散热器热阻最小，充装量过大会影响蒸汽的 分离与流动。 c z o x t e d h b e o nh t m l 媳i 帅肿 图1 1 8 毛细泵吸环路示意图 f i g1 1 8s c h e m a t i co fc a p i l l a r yp u m p e dl o o p 1 7 浙江大学硕士学位论文第一章绪论 文献 2 8 3 对几种典型的应用于笔记本电脑c p u 冷却的微型回路热管( m l t s ) 散热装置在不同工况下远程热交换( r h e ) 能力进行了对比实验。文献 2 9 3 2 对微型回路型平板热管( m f p l ) ( 图1 1 9 ) 进行了研究： 图1 1 9 带有平扳蒸发器的微型l t s f i g1 1 9 m i n i a t u r el t sw i t hf l a tp m ee v a p o r a t o r 我们对于回路型热管散热器的研究主要有： 2 0 0 3 年，赵辉对回路型热管散热器的沸腾传热过程建立了数值分析模型， 利用f l u e n t 软件分析回路型热管散热器主要参数对其散热性能的影响1 3