（工程热物理专业论文）热管用于笔记本电脑散热的研究.pdf

东南大学硕士学位论文 摘要 在笔记本电脑中，由于其空间和耗电量的局限性，传统的风冷已经越来越满足不了散热 要求，散热性能优越的热管被普遍运用到笔记本电脑的散热系统中。散热问题关系到电脑的 稳定性，本文从此问题出发，对笔记本电脑的散热进行了研究。分析了热管用于笔记本电脑 c p u 散热的工作原理、工作特点，以及热管用于笔记本电脑散热的必要性。 讨论了笔记本电脑用热管散热相对于用其他散热方式的优势建立了热管传热模型， 分析了热管的传热机理，对热管用于笔记本电脑的传热特性进行了定量计算，包括传热热阻 总传热系数等，针对实际情况进行实例分析。 针对笔记本电脑散热的特点，分析了热管的各种传热极限包括黏性极限、声速极限、 携带极限、毛细极限、冷凝极限和沸腾极限，以及对热管散热效果的影响。研究结果表明， 笔记本电脑散热热管的毛细极限相对其他传热极限要小得多。探讨了在热管工作介质确定情 况下热管的传热极限与尺寸的关系，讨论了用于笔记本电脑散热的热管最佳尺寸的设计计算 方法，以保证热管到达最大的传热能力。通过计算，获得了优化的热管散热有效长度和蒸汽 流道直径。 对笔记本散热热管的工作特性进行了数值模拟。获得了当c p u 产生的热量发生变化和热 管尺寸( 包括有效长度和直径) 变化时，热管壁温和蒸发段与冷凝段温差的变化，以及系统 热阻和总传热系数的变化；分析了热管的传热极限与热管有效长度、工作温度、热管倾角之 间的关系等。 关键词：笔记本电脑；热管；散热；数值模拟 东南大学硕士学位论文 a b s t r a c t l nt h en o t e b o o kp c t r a d i t i o n a l s i n g l em o d eo fa i rc o o l i n gd o e s n ts a t i s f yt h ec o o l i n g r e q u i r e m e n tb e c a u s eo ft h el i m i to fs p a c ea n dp o w e r h e a tp i p ew i t he x c e l l e n tc o o l i n gc a p a c i t yi s a p p l i e do nn o t e b o o kp c t h ep r i n c i p l eo fh e a tp i p ea n di t sw o r k i n gp e r f o r m a n c ew h e na p p l i e do n n o t e b o o kp ca r ea n a l y z e d t h es u p e r i o r i t yo fh e a tp i p eo nc o o l i n go v e ro t h e rc o o l i n gm o d e si sa n a l y z e d t h eh e a tt r a n s f e r m o d ei sb u i l t ，a n dt h ec o r r e s p o n d i n gq u a n t i t a t i v ec a l c u l a t i o ni sm a d e t h em e c h a n i s mo f h e a t t r a n s f e ri nh e a tp i p ei sa n a l y z e d t h et h e r m a lr e s i s t a n c ea n dt h e r m a lp e r f o r m a n c ea r ed i s c u s s e da n d c a l c u l a t e dw i t ha l le x a m p l e a c c o r d i n gt ot h ec h a r a c t e ro fc o o l i n gt on o t e b o o kp c ，a l lk i n d so fl i m i t st oh e a tt r a n s f e ra r e d i s c u s s e d ，i n c l u d i n gs t i c k n e s sl i m i t ，s o u n dl i m i t ，e n t r a i n m e n tl i m i t ，c a p i l l a r yl i m i t ，c o n d e n s a t i o n l i m i ta n db o i l i n gl i m i t t h ei n f l u e n c eo ft h ef a c t o r st ot h eh e a tt r a n s f e ri sa n a l y z e d t h ec a l c u l a t e d r e s u l t ss h o wt h a tt h ec a p i l l a r yl i m i to fh e a tt r a n s f e ri sm u c hs m a l l e rt h a no t h e rl i m i t so f h e a t t r a n s f e r t h er e l a t i o nb e t w e e nt h el i m i to fh e a tt r a n s f e ra n dt h ed i m e n s i o no fh e a tp i p ei sd i s c u s s e d w h e nt h ew o r k i n gl i q u i di sc o n f i r m e d t h ed i m e n s i o no fh e a tp i p ea p p l i e do nc o o l i n gn o t e b o o k p ci so p t i m i z e di no r d e rt om a k eh e a tp i p eh a v eb e t t e rc a p a c i t yo nh e a tt r a n s f e r , a n dt h eo p t i m i z e d l e n g t ha n dd i a m e t e ro fh e a tp i p ea r eo b t a i n e d 1 a et h e r m a lp e r f o r m a n c eo ft h eh e a tp i p ei nn o t e b o o kp ci sa n a l y z e dn u m e r i c a l l y t h ew a l l t e m p e r a t u r e t h et h e r m a lr e s i s t a n c ea n dt h e r m a lp e r f o r m a n c ea r ec a l c u l a t e dw h e nt h ep o w e ro ft h e c p ua n dt h ed i m e n s i o n so fh e a tp i p ea r ec h a n g e d t h ec h a n g eo ft h el i m i t so fh e a t t r a n s f e ri s a n a l y z e df o rd i f f e r e n tl e n g t h ，w o r k i n gt e m p e r a t u r ea n do b l i q u i t yo ft h eh e a tp i p e k e yw o r d ：n o t e b o o kp c ；h e a tp i p e ；h e a tt r a n s f e r ；n u m e r i c a ls i m u l a t i o n i l 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得 的研究成果。尽我所知，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，也不包含为获得东南大学或其它教育机构 的学位或证书而使用过的材料。与我同工作的同志对本研究所做的任何贡献均 已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 研究生签名： 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位 论文的复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人 电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论 文被查阅和借阅，可以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包 括刊登) 授权东南大学研究生院办理。 研究生签名：导师签名：日期： 东南大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 热管用于笔记本电脑散热的研究概况 1 1 1 笔记本电脑散热的概述 计算机家族中的笔记本电脑是结构高度紧凑的便携式p c 机，尽管热能高度集中，但是 其c p u 等芯片器件都是低功耗化的，散热问题并不突出，普通的风冷散热即可满足要求。如 今，情况大变，笔记本电脑集高功能、高装配密度、高能量密度、高发热量电子元器件于一 体，冷却散热问题越来越尖锐，已经到了非解决不可的地步】。 随着笔记本电脑性能的提高，其采用的处理器频率越来越高，已经达至i j p e n t i u m 4 级别， 相应所产生的热量也越来越大，使得系统稳定性大受影响。散热问题关系到电脑的稳定性， 解决不好会导致电脑性能的严重下降并影响产品的可靠性，严重的还会影响电脑其他部件 的使用和寿命而且许多不明原因的死机也常常是散热问题所知。对台式机来说宽大和通 风良好的机箱、大面积的散热片、强劲的风扇加上合理的结构布局，散热问题解决起来相对 简单许多。而对于笔记本电脑，由于体积的限制，各部件集成度都很高，散热问题的解决和 台式机有较大的区别。 笔记本电脑的微处理器虽小，但是其排出来的热量却很大是笔记本电脑热量的主要 来源。散热的方法不仅关系到笔记本电脑运行的稳定，而且关系到笔记本电脑电池的寿命。 不良的散热方法会使电池消耗过大，缩短使用时间。笔记本电脑中中央处理器产生的热量最 初是依靠小风扇进行散热的，但是这种方法及其费电，散热效果也不佳。因此，散热问题一 直是笔记本电脑发展的技术瓶颈之一。f 面对目前笔记本电脑厂商采用的散热方法进行分 析。 1 在电脑中c p u 是散热大户，c p u 速度越快，功耗越大，发热就越多。一般所采用的 散热方法主要是依靠散热板和风扇。这两种散热方法的最大优点是成本低，故被大多数厂商 所接受。散热面积越大传导效率越高，就越能散发笔记本的热量。一般在主机板的底部和 上部各配块金属散热板。在c p u 的位置有协助散热的系统以释放c p u 产生的热量，在键盘 的下方放一块尺寸和键盘基本相同的薄散热铝板，在铝板上开设散热孔，并通过散热孔将热 量散布到电脑外部。 微热风扇也是笔记本电脑采用的基本散热方法，一般有低风量和高风量两个档，风扇 的速度视c p u 的温度而定。最初笔记本c p u 是依靠和台式机差不多的小风扇进行散热的，耗 电严重且散热效果不好。现在许多笔记本电脑产品将风扇由原来的垂直于主板改为平行于主 板，平行于主板的散热风扇可以不受笔记本机身厚度的限制采用比较大的风扇，提高散热 效率，而且平行于主板的风扇有助于将机身设计的更薄。 2 除了这两种常用的方法外，键盘对流散热则是一种非常巧妙的方法口1 。由于笔记本 【乜脑机身很薄，当把键盘装到主机板上时，键盘底部就会和主机板接触，可以利用键盘底部 将c p u 产生的热量传导出去。热量是经按键孔排出当热空气从按键孔排出时，冷空气就从 按键孔流入以取代热空气。由此可以看出，键盘对流散热充分利用了现有的资源和环境。冷 热空气的对流换热就在键盘的敲击过程中得以完成。 3 在众多的散热技术中，热管技术是i b m 公司提出的一种很有效的散热技术。这种技 术原本是有一些“发烧友”超频c p u 时应用的。热管是一种新型的散热装置，内有吸液芯和 一| 二作液体水，管内抽成低压，一端贴近c p u 另一段远离c p u 。在低压状态下水的沸点很 东南大学硕士学住论文 低，如果在管子的一端加热，水就会蒸发，将热量带到另一端水冷却后再流回去，如此反 复热量就不断被排出，和冷气机的工作原理类似。散热管的优点是没有移动式的零件，全部 零件都密封在内，不必消耗电池且长时间有效，除了m m 的散热管技术之外，比较有特色的 还有东芝笔记本电脑的冷、热板散热技术，后来又发明了水冷式散热方法，散热效率大大提 高，但是由于技术方面的原因没有被广泛运用。 4 目前大部分笔记本电脑厂商的产品都采用了散热管技术、键盘对流散热、温控风扇 散热三级散热方式。散热板将从c p u 吸收的热量导入散热管，高热量经由热管，沿着整块金 属散热板加以传导。位于主机板上部的散热板和键盘接触，热量就会从键盘排出。如果上述 各类装置仍无法有效教热时，可以再启动风扇。围绕中央处理器的三级散热系统的冷却保护， 笔记本电脑将c p u 产生的热量从四周均匀的散发出去，不会造成某处的温度过高，可以节省 电源，延长笔记本电脑的使用寿命，但是，这一方法的成本比较高。 5 在传统的散热片+ 热管+ 风扇的组合散热装置的基础上采用自动控制原理，利用温 控风扇或降低c p u 的运行频率来保持机身内的温度。或使用分段散热，将互相联系和集成功 能的程度降低到最低限度等方法来提高系统的可靠性。另外，使用导热性能好的铝镁合金 外壳技术也不失为解决笔记本电脑散热问题的一种有效补充。铝镁合金外壳的热传导率远优 于铝金属和工程塑料，在很大程度上减少散热扇的电耗和散热孔的数量，减少体积和重量， 降低功耗和成本。 6 用金属做外壳对笔记本电脑有一定的作用+ 不过真正的散热主力来自于主机内部的 散热框架。采用高轻量、高剐性合金、热传导率很高的金属框架，能在系统一般运行下和待 命状态下自然散热，省去风扇运转造成的电力损耗和噪音问题，同时也更进一步提高了系统 运行的稳定性。由于笔记本电脑内部的主要发热源是c p u ，因此接近c p u 的散热构架才是笔 记本电脑由内而外的主要散热方式。 1 1 2 热管用于笔记本电脑散热的现状 随着笔记本电脑cpu 主频的不断提高，不采用特殊的散热方法就无法保证cpu 工作 的稳定，人们对cpu 散热器进行了大量的研究，开发出了多种多样的cpu 散热器产品。近 儿年的cpu 散热器无论在设计、结构、使用效果和严谨性等方面都有了很大的提高。从产 品的类型来看，不论是风冷式散热器、水冷式散热器还是半导体制冷式散热器都是主动型散 热器，主动型散热器存在两大问题，即噪音问题和安全问题1 4 j 。 传统的风冷型散热器，依靠风扇提供的冷却空气对c p u 进行散热，随着电子技术的发展， 处理器c p u 的频率不断增加，其功耗也随之增加，产生的热量也大幅增大。这就依靠提高风 扇的风量来达到散热效果，而提高风量必然加大风扇的转速，因此，噪音问题随之产生。在 主动型散热器构成中，作为动力部件的风扇、水泵、半导体制冷器等，都存在长时间运行而发 生故障的可能。当它们发生故障时，cpu 有极大可能性会被烧坏。曾有实验证明，a m d s o c k e ta 接口的cp u 在风扇停转数秒钟内就会被烧坏。 自从热管技术被i b m 第一次应用到笔记本电脑c p u 的散热后，使得人们改变了传统散热 器的设计思路，摆脱了单纯依靠高风量电机来获得更好散热效果的单一散热模式。采用热管 技术使得散热器即便采用低转速、低风量电机，同样可以得到满意的效果使得困扰风冷教热 的噪音问题得到良好解决，为“绿色”散热开辟了新的道路。 目前除了少量的笔记本电脑用风冷直接散热外，绝大部分都是采用热管和风扇结合的 方法对笔记本电脑进行散热。尽管热管已经被广泛应用于笔记本电脑散热，但是热管的工作 机理十分复杂，到目前为止还没有研究透彻。自从1 9 6 4 年g r o v e 发明热管以来。国内外对其 进行了大量的实验研究和理论分析，以便进一步提高其工作性能和扩人其应用领域。由于热 2 东南大学硕士学位论文 管内部流动和传热机理复杂，仍处于“黑箱状态”，包含有复杂的汽液耦合流动问题和复杂 的汽液相变传热问题导致其内部流动和传热的问题研究十分困难。只有对其内在机理深入 研究，才能更好的发挥其良好的传热特性，才能更好的解决笔记本电脑和其他电子器件的散 热问题。 1 2 国内外研究概况 国外对用于笔记本电脑c p u 散热的熟管研究比国内先行一步，由于热管内部的流动与传 热机理相当复杂，要对其进行系统的理论研究存在一定的困难。因此，国外一些学者通过实 验的方法得出了用于笔记本电脑散热的热管传热规律。而国内对热管本身的内在机理尚待研 究，在热管用于笔记本电脑和其他电子器件的散热方面的研究还处于起步阶段。 1 9 6 3 年，美国l o s a l a m o s 国家实验室的g m g r o v e 口1 发明了一种传热元件，并进行了性 能测试实验，在美国应用物理杂志上公开发表了第一篇论文，并正式将此传热元件命名 为热管“h e a tp i p e ”。 1 9 6 5 年，c o t t e r 首次提出了较完整的热管理论”1 ，从此奠定了热管研究的理论基础，也 成为热管性能分析和热管设计的基础，也称为c o t t e r 理论。 8 0 年代后期，i b m 公司首次将热管运用于笔记本电脑c p u 的散热”使得笔记本电脑散 热效果有了很大提高，同时获得了专利。 m e i l i n gl i 等9 1 通过实验研究了微热管在笔记本电脑、掌上电脑等便携式电子产品散热 方面的传热性能。为避免热量损失，实验在密闭的真空容器中进行。热管管壳材料为铜，工 作液体为纯净水。实验得出了热管散热的传热系数和各种传热极限。实验对两种a ；同横截面 的热管进行对比，结果表明，热管横截面为三角形的热管的传热性能要优于横截面为矩形的 热管。 s e o kh w a nm o o n 等口1 同时也对用于笔记本电脑散热的小热管如何提高工作性能进行了 理论雨i 实验研究。分析了当改变热管的直径、长度、管壳厚度、热流和热管的倾斜角度后， 热管传热性能的变化。为了减小热管壁的传导热阻将热管的管壁厚度减小，此时热管的传 热极限会增加。通过实验比较了三种不同吸液芯结构的热管的传热热阻和传热性能，测试的 结果满足c p u 稳定工作的条件。 k w a n g s o o k i m 等”对台式电脑c p u 冷却技术进行了分析研究。作者提出，把热管技术 崩于台式机c p u 的散热，能取得较好的散热效果，并且通过实验验证。结果表明，当风扇在 高转速状态下，c p u 散热效果良好，但是噪音问题比较严重。当风扇配台热管散热时，即使 风扇处于低转速状态，散热效果突出，减轻了风扇噪音问题。同时，实验还比较了热管在台 式电脑中不同安装方式对散热的影响。 v g p a s t u k h o v 等1 对电子元器件和笔记本电脑的散热问题进行了研究。实验中，热 流为2 5 3 0 w ，用于散热的热管的长度为2 0 3 0 c m 。实验研究了热管本身的热阻和系统的 总热阻，对给定的热管能传递的最大热流，环境对热管工作的影响，以及不同的工作液体在 传热性能方面的比较。 m a n f r e d 等”对热管在电子设备热控制方面进行了理论分析。提出了微热管与传统热管 的区别，并对针对微热管进行了研究。分析了微热管的传热极限，同时，理论模型显示，增 加热管的商径，减小热管的长度可以提高传热性能。同时，提高热流也可以使传热性能提高。 最后还根据热管的用途进行了分类。 h a l e yk e v i n 等“”对笔记本电脑采用热管铰链式散热进行了概括性介绍。这种散热方式 是首先用一根热管将c p u 的热量传至显示屏与机身的连接铰链块上，另一根热管则将第一根 热管传至铰链块上的热量传至显示屏后的散热板上。 东南太学硕士学位论文 l a n c h a ol i n 等“对小热管应用于电子元器件方面进行了性能分析和实验研究，只是针 对不同的毛细结构、不同的工作液填充量和不同的加热方式进行了实验研究并没有在理论 上给予；足够的分析。 国外学者在热管用于笔记本电脑散热方面进行了一定的研究，但是大部分都是实验方 面的研究，理论方面的分析甚少。在国内，由于这方面研究起步较晚，因此，对这方面的研 究尚不深入。 徐勇”“对笔记本电脑散热技术进行了研究，提出了笔记本电脑存在的散热问题，分析 了笔记本电脑的热源，提出了一系列解决散热问题的技术对策包括热管散热。 张俊霞”通过分析当前主动型c p u 散热器存在的问题，提出利用热管技术解决c p u 散 热问题的新方案。但是提出的方案是针对台式机的。 孔巧玲、贺建华1 介绍了笔记本电脑的散热方式及热管在笔记本电脑中的应用。对热 管在笔记本电脑内部不同的布置方式对散热效果的影响进行了分析，但分析只是定性的，没 有定量计算分析。 王充、马贺梅等”对微型热管在台式电脑中进行了应用设计。根据热管的工作特性， 在不同工作条件下可制作成各种不同的结构。提出了在计算机核心部件上应用微型热管散 热，将热量引出到专门风道内集中散热。机箱可设计成较封闭的结构，从而解决了计算机用 传统风扇散热效果差，与外界对流导致灰尘沉积在主板上，对主板带来安全隐患问题。该文 是针对台式机分析的与笔记本散热有一定区别。 殷际英”对热管用于笔记本电脑c p u 散热建立了传热模型，对传热机理进行了定性分 析，通过计算设计了热管散热的原理结构。 如上所述，在热管用于笔记本电脑散热方面，国外学者多数通过实验，用实验所得的 数据进行传热性能方面的研究，并没有太多的理论方面的分析。而国内学者则在理论上进行 初步试探性研究，没有深入到热管传热性能方面的分析研究。随着笔记本电脑的发展，其处 理器的主频越来越高，相应产生的热量也越来越大，这就要求热管能更好的满足散热要求。 为了使热管的工作性能达到最优，必然要对热管进行深入的理论分析包括传热性能的研究， 和在笔记本电脑应用中的结构优化满足笔记本的超薄发展趋势。 1 3 本文的主要研究内容 根据前面的阐述，本文的主要研究内容为： 1 在前人工作的基础上进一步分析热管用于笔记本电脑c p u 散热的工作原理、工作特 点，以及热管用于笔记本电脑散热的必要性。分析笔记本电脑中热量产生的来源，热管如何 将产生的热量由笔记本内部排出。 2 分析笔记本电脑用热管散热相对予用其他散热方式的优势。介绍单纯风扇散热、通 过键盘对流散热、半导体制冷式散热、水冷式散热等各种散热方法的工作原理，热管散热与 之相比的优点所在。 3 对热管用于笔记本电脑的传热特性进行定量分析研究。建立了热管传热模型，分析 了热管的传热机理，通过建立的模型对热管的传热性能进行计算，包括传热热阻，总传导系 数等，针对实际情况进行实例分析。 4 针对笔记本电脑散热的特点，分析热管的各种传热极限的相关因素，包括黏性极限、 声速极限、携带极限、毛细极限、冷凝极限和沸腾极限，以及对热管散热效果的影响。探讨 在热管工作介质确定情况下热管的传热极限与尺寸的关系，讨论用于笔记本电脑散热的热管 最佳尺寸的设计计算方法，以保证热管到达最大的传热能力。 5 对笔记本散热的热管用数值方法进行热分析。讨论当c p u 的产生的热量变化时，热 4 东南大学硕士学位论文 管壁温和蒸发段与冷凝段温差的变化，以及系统热阻和总传热系数的变化：当热管尺寸( 包 括有效长度和直径) 变化时，相应的热管壁温、系统热阻和总传热系数的变化：热管的传热 极限与热管有效长度、工作温度、热管倾角之间的关系等。 东南大学硕士学位论文 第二章热管用于笔记本电脑散热的工作原理与特点 电子技术近年来迅速发展，电子器件的商频、高速以及集成电路的密集和小型化，使 得单位容积电子器件的发热量快速增大。电子器件的正常工作温度范围一般为一5 + 7 5 ， 超过这个范围元件性能将显著下降，不能稳定工作，因而也影响系统运行的可靠性。研究 资料表明1 ：单个半导体元件的温度升高i o c ，系统的可靠性降低5 0 。因此电子技术的 发展需要有良好的散热手段来保证。这种散热手段要求具有紧凑性、可靠性、灵活性、高散 热效率、不需要维修等条件，而最能满足这些条件的手段，当属热管技术。近年来热管技术 已经在电气设备散热、电子器件冷却、半导体元件以及大规模集成电路板的散热方面取得很 多应用成果“。如今，大部分笔记本电脑厂商都采用热管技术作为主要的散热方式。但是， 电子技术的发展又对热管散热技术提出来更高的技术要求，这就促使热管技术本身的发展。 因此在对热管在笔记本电脑散热的具体应用了解之前，首先需要对热管本身的工作 原理，性能和特点进行分析。 2 1 热管的基本知识 2 1 1 热管的工作原理 热管的基本工作原理如图2 1 所示典型的热管由管壳、吸液芯和端盖组成将管内抽 成负压后充以适量的工作液体，使紧9 l i | i 管内壁的吸液芯毛细多孔材料中充满液体后加以密 封。管的一端为蒸发段( 加热段) ，另一端为冷凝段( 冷却段) ，介于蒸发段和冷凝段之间的为绝热 段。当热管的一端受热时毛细芯中的液体蒸发汽化，蒸汽在微小的压差下流向另一端放出热 量凝结成液体，液体再沿多孔材料靠毛细力的作用流回蒸发段。如此循环不已热量由热管 的一端传至另一端。 图2 1 热管结构示意简图 热管通过相变传递潜热来传递热量远远比通过对流或传导传递的热量多。即它的导热 性能比常见的多金属材料大得多”。 热管在实现热量转移的过程中，包含了一下六个相互关联的主要过程： ( 1 ) 将外部热源的热量传至蒸发段，通过管壁和浸满工资吸液芯的热传导使工资的温 度上升。 ( 2 ) 液体的温度上升，液面蒸发，直至达到饱和蒸汽压。此时热量以潜热方式传绘蒸 6 东南大学硕士学位论文 汽。 ( 3 ) 液体的饱和蒸汽压随着液体温度上升而升高。蒸汽通过蒸汽通道流向低压部分， 即流向温度较低的冷凝段。 ( 4 ) 蒸汽在冷凝段内的汽一液分界面上凝结，放出潜热。 ( 5 ) 热量从汽一液分界面通过吸液芯、液体和管壤传给冷源。 ( 6 ) 冷凝的液体在吸液芯内由于毛细作用使冷凝后的丁= 作液体回流到蒸汽段，完成一 个循环。 图2 - 2 表示了热管管内蒸汽质量流量、压力以及管壁温度t w 和管内蒸汽温度l 沿管 长的变化趋势。沿整个热管长度，汽一液交界处的汽相和液相之间的静压差都与该处的局部 毛细压差相平衡。假设p c 为毛细压头，是热管内部工作液体循环的推动力，用来克服蒸汽 从蒸发段流向冷凝段的压力降p v 、冷凝液体从冷凝段流回蒸发段的压力降a p - 和重力场对 液体流动引起的压力降可以是正值、负值或零，视热管在重力场中的位置而定) 。因此， 必须使吸液芯毛细压力p c 满足下式： p c 兰p v + p l + r 上式即为热管工作的基本条件。 t 2 1 2 热管的结构 图2 2 热管管内质量流压力和温度沿管长的 变化示意图 p 。 p 热管主要由管壳、吸液芯和蒸汽通道三部分组成。沿轴向分为蒸发段、绝热段、和冷凝 段。蒸发段的作用是，使热量从管外热源传给管内的液相工资，并使其蒸发。冷凝段的作用 是，使汽相工质冷凝，并把热量传给管外的冷源。绝热段的作用是，当热源和冷源隔开时， 使管内工质和外界不作热量传递。 均质吸液芯由金属网、泡沫材料、毛毡、纤维或烧结金属等多孔物质组成。也有只在 管壳内壁开沟槽、装设干道管( 液相工质专用的小阻力通道) ，以及它们和均质吸液芯组成 7 东南大学硕士学位论文 的组合式吸液芯。吸液芯的作用是： ( 1 ) 靠毛细作用使液相工质由冷凝段回流到蒸发段。 ( 2 ) 在蒸发段使液相工质沿径向均匀分布。图2 _ 3 所示为各种吸液芯结构。 卷制丝网式烧结金属式环道式 新月形流道式干道式 图2 - 3 几种吸液芯结构的横截面 管壳形状一般为圆形，但也不定必须是圆管，其断面可为任意形状。充入的工质 般用单一介质，液体靠毛细力回流。热管的各部分材料如表2 1 。 表2 1 热管各部分的材科 液相工质水，甲醇，乙醇，丙酮，氨，氨，氟利昂1 1 ，钠，钾，锂等 吸液芯金属网( 铜，镍，不锈钢) ，烧结金属，泡沫材料，金属毡等 管壳铜，铝，不锈钢，镍，钨等 2 1 3 热管的性能与特点 热管是依靠自身内部工作液体相变来实现传热的传热元件，由其结构和工作原理可知， 具有以下基本特性。 ( 1 ) 很高的导热性热管内部主要依靠工作液体的汽、液相变传热，热阻很小，因此 具有很高的导热能力。与铜、银、铝等金属相比，单位重量的热管可多传递几个数量级的热 量，如图2 4 。当然，高导热性也是相对而言的，温差总是存在的，不可能违反热力学第 二定律o m ，并且热管的传热能力收到各种因素的限制存在着传热极限。热管的轴向导热 性很强。 ( 2 ) 优良的等温性热管内腔的蒸汽是处于饱和状态饱和蒸汽的压力决定于饱和温 度，饱和蒸汽从蒸发段流向冷凝段所产生的压降很小，根据热力学中的c l a u s u i t c l a p e y r o n 方程式可知，温降亦很小，因而热管具有优良的等温性。 8 东南大学硕士学位论文 传热量1 0 0 0 0 ( w ) 5 0 0 1 0 0 5 0 1 0 5 笋| f o 5 01 0 0 棼t ( 产 图2 - 4 热管的导热特性 ( 3 ) 热流密度可变性热管可以独立改变蒸汽段或冷却段的加热面积，即以较小的加 热面积输入热量。而咀加大的冷却面积输出热量，或者热管可以较大的传热面积输入热量， 而以较小的冷却面积输出热量，这样可以改变热流密度，鼹决一些其他方法难以解决的传热 难题，如图2 5 。 大 小热流密度 图2 - 5 可变换热流密度的热管 ( 4 ) 热流方向的可逆性一根水平放置的有芯热管，由于其内部循环动力是毛细力， 因此任意一端受热就可最为蒸发段，而另一段向外散热就成为冷凝段。此特点可用于宇宙飞 船和人造卫星在空间的温度展平，也可用于先放热后吸热的化学反应器及其他装置。 ( 5 ) 具有热二极管和热开关的功能由热管的工作原理可知，热管中的蒸汽和液体在 维持质量平衡和力平衡情况下不断循环，故可采用控制其中一种流体流动的方法控制其传热 量，即可使热管具有热开关和热二极管的特性。 ( 6 ) 恒温特性普通热管的各部分r 热阻基本上不随加热量的变化而变化，因此当 加热量变化时，热管各部分的温度亦随之变化。但人们发展了另一种热管一可变导热管，使 得冷凝段的热阻随着热量的增加反而降低、随加热量的减少而增加，这样可使热管在加热量 大幅度变化的情况下，蒸汽温度变化极小，实现温度的控制，这就是热管的恒温特性。 ( 7 ) 环境的适应性热管的形状可随热源和冷源的条件而变化，热管可做成电机的转 9 东南大学项士学位论文 轴、钻头、手术刀等等，热管也可做成分离式的以适应长距离或冷热流体不能混合的情况下。 如今随着电子技术的迅猛发展，散热问题越来越突出，因此，对于像笔记本电脑这样，要求 在很狭小空间内散热的情况下，热管能很好的适应这一要求。 除了以上的特性，热管还有结构简单、重量轻、体积小，在传递热量时，不需要有转 动部件的辅助设备等优点。维修量少，可靠性高，无噪音，选择适宜的工质和管壳材料，可 制造出使用温度范围大、寿命长的热管。 2 1 4 热管的分类 由于热管的用途、种类和型式较多，再加上热管在结构、材质和工作液体等方面各有不 同之处，故对热管的分类也很多，常用的分类方法有以下几种。 ( 1 ) 按照热管管内工作温度区分热管可分为低温热管( 一2 7 3 o ) 、常温热管( o 2 5 0 ) 、中温热管( 2 5 0 4 5 0 ) 、高温热管( 4 5 0 1 0 0 0 ) 等。 ( 2 ) 按照工作液体回流动力区分热管可分为有芯热管、两相闭式热虹吸管( 重力热 管) 、重力辅助热管、旋转热管、电流体动力热管、磁流体动力热管、渗透热管等。 ( 3 ) 按管壳和工作液体的组合方式划分热管可分为铜一水热管、碳钢一水热管、铜 钢复合一水热管、铝一丙酮热管、碳钢一蔡热管、不锈钢一钠热管等。 ( 4 ) 按结构形式区分可分为普通热管、分离式热管、毛细泵回路热管、微型热管、 平扳热管等。 ( 5 ) 按热管的功用区分可分为传输热量的热管、热二极管、热开关、热控制热管、 制冷热管等。 2 2 热管技术的重要性 与常规换热技术相比，热管技术之所以能不断受到各个领域的欢迎，是由于具有如下 的重要特点1 。 一1 8 0 。0 。 1 8 0 。 一1 8 0 。0 。 1 8 0 。 ( a ) 未用热管 ( b ) 使用热管 图2 6 圆柱体表面均温示意图 热管具有温度展平的功能。温度展平又称为均温技术，即利用热管本身的等温性，把 一个温度不均匀的温度场展平成一个均匀的温度场。设有一具有不均匀温度场的圆柱体t 其 展开表面如图2 6 ( a ) 所示，在圆柱体的正反两面有很大的温差t 】- - t 2 ( t i 2 ) ，但如设法 在圆柱体的表面上布置一定量的环状热管，则圆柱体表面温度将如图2 - - 6 ( b ) 所示，此时 1 0 东南大学硕士学位论文 温差t i t 2 变得很小。又如在电子工业中，经常遇到芯片表面不等温性问题，特别是集成电 路表面的不等温性将影响电路工作的稳定性。如果用热管对芯片表面的温度进行控制，就可 能获得一个较为均匀的温度场。均温技术在航天飞行器等方砸也有重要的应用。 热管换热设备较常规设备更安全、可靠，可长期连续运行，这一特点对连续性工作的 过程，如化工、冶金、动力等部j j 具有特别重要的意义。常规换热设备一般都是间壁换热， 冷热流体分别在器壁的两侧流过，如管壁或器壁有泄漏，则将造成损失。由热管组成的换热 设备，则是二次闻壁换热，即热流要通过热管的蒸发段管壁和冷凝段管壁才能传到冷流体， 而热管一般不可能在蒸发段和冷凝段同时破坏，所以可靠性增强。 热管管壁的温度可以调节。这在低温余热回收或热交换中是相当重要的，因为可以通 过适当的热流变化把热管管壁温度调整在一定的温度范围之内，避免温度过高或过低，从而 可以保证设各的安全运行。 热管可将热源和冷却部分隔开。由于热管的有效导热率高，而且传热速度快，可进行长 距离传热。在冷却某部件时，不宜在靠近该部件处装设散热器进行散热。此时。可利用热管 把距离组件较远的冷却器和发热体连接起来，以解决散热问题。这种情况下，绝热段可使热 损失达到晟小值。这种方法，适用于从设备内部散出热量，而且可提高产品的性能，有利于 小型化，已被广泛应用于电子设备的散热。 热管的冷、热段结构和位置可以灵活布置。由热管组成的换热设备的受热部分和放热 部分结构设计和位置布置非常灵活，可以适应各种复杂的场合。对于笔记本电脑内部结构紧 凑、空间狭小的场合，热管可以比较灵活的安装。 热管换热设备效率高，节能效果明显。 2 3 热管在笔记本电脑散热方面的应用 2 3 1 笔记本电脑热量的产生 随着微屯子技术的发展，集成电路发明以来，微电子技术一直通过缩小器件特征尺寸、提 高电子系统集成度来提高性能、降低成本。尺寸不断缩小的硅基c m o s 技术将是在2 l 世纪 初叶微电子技术中的主流工艺技术。低功耗技术是当前微电子技术领域重要研究内容之一。 已从制造技术和设计技术两方面提出了许多降低器件功耗的策略。比如降低电源电压、逻辑 优化、时钟管理、使用小尺寸器件等。通过这些措施，单一门电路的功耗在不断减d , t “1 9 9 5 年0 3 5um 工艺3 3 v 电压的c m o s 器件门级功耗为0 6 4 uw ，m h z 。1 9 9 9 年0 2 5um 工艺2 5 v 电压的c m o s 器件门级功耗降低到o 1 5u w ，m h z 。尽管单个门电路的功耗在减小但由丁集 成度和工作频率的提高，芯片的总功耗持续增长，表面功率密度也不断增大。2 0 0 0 年美国半导 体工业协会预计，到2 0 1 1 年采用。埘um 工艺，高性能微处理器将在8 1 7 c n l 2 的面积内集成 7 0 5 3 1 0 9 个晶体管，片内时钟达l o g h z ，工作电压仅o 6 v , 芯片功耗高达1 7 7 w 。同样增大0 1 ，w 的热阻，5 0 w 的芯片工作温度将升高5 ，1 5 0 w 的芯片工作温度则会升高1 5 ，十儿度 的温升就可能烧毁器件。因此，对电子器件的有效散热是保证其可靠工作的前提条件。 一般来说。笔记本的热量主要来自c p u 、显示主芯片、硬盘、主板芯片组，特别是集 成有显示芯片的北桥、电源电路等其中c p u 是最大的热量来源笔记本中l 3 的热量都 是它散发出来的。因此，温度太高对上述部件的影响将是致命的。 中央处理器c p u 是笔记本电脑的主要组成设备，也是笔记本电脑的核心部件。根据物 理学原理，当笔记本电脑工作时，笔记本电脑的硬件。尤其是c p u 等芯片，会散发出大量 的热量，发热量大是c p u 的天敌，温度过高极易将c p u 烧毁。随着半导体技术的迅猛发展， 东南大学硕士学位论文 c p u 的集成度越来越高，目前最高主频已经超过3 g h z ，一方面，速度越来越快，计算能力 越来越高，但同时芯片的耗热和散热也越来越大。 3 0 多年来，制造技术的革命已经大大提高了硅芯片的集成度。1 9 7 1 年英特尔生产的第一 个芯片只含2 3 0 0 个晶体管，英特尔最新的奔腾4 芯片集成了4 2 0 0 万个晶体管。英特尔公司 奠基人之一戈登摩尔在2 0 世纪7 0 年代发现，集成在一块芯片上的晶体管数量大约每两年 增加一倍。这个经验定律被其后数十年芯片发展的实际情况所验证，并被人们称为信息产业 中的“摩尔定律”。按摩尔定律计算，到2 0 1 0 年，芯片上晶体管的数量将超过1 0 亿。英特尔公 司负责芯片设计的首席技术官帕特盖尔辛格指出，如果芯片耗能和散热的问题得不到解决， 按照现在的设计，到2 0 0 5 年芯片上集成了2 亿个晶体管时，就会热的像“核反应堆”，2 0 1 0 年时会到达火箭发射时高温气体喷嘴的水平，而到2 0 1 5 年就会与太阳表面一样热，因此， 笔记本电脑c p u 的散热问题越来越突出。 早在2 0 世纪5 0 年代，科学家就发现，在导体中，电子做定向流动时，会撞击金属原 子，而导致了金属原子移动，即“电子迁移”1 2 6 | o 在c p u 内部，电流的密度很高，即高浓 度电子处于高速的流动中，而温度越高，电子流动对金属原子产生的作用越大，这种作用可 能使金属原子脱离金属表面到处流窜，结果导致金属表面变得凹凸不平，到一定程度会造成 c p u 最终“报销”，这种破坏是一个长期的过程，实验分析表明，如果c p u 正常t 作时表 面温度超过5 0 ，内部温度超过8 0 ，就很容易因“电子迁移”现象而使c p u 造成永久的 损坏，以致报废。而温度越高，其彻底破坏c p u 的速度也就越快，c p u 的寿命也就越短。 因此高热会导致c p u 的“电子迁移”现象，会破坏c p u 内部的芯片。防止高热是c p u 正常工作的保证。 由于笔记本内部空问狭小则产生了“高性能”和“便携性”这两个较难调和的层面， 散热一直以来都是笔记本设计的技术关键。让笔记本尽量少地产生热量或者让笔记本产生的 热量及时有效地散发传导出去，是我们使用者不可忽视的一个问题。那么，我们怎样才能从 主观上判断出笔记本电脑是不是在正常工作昵。 我们先从人体的温度感觉说开去，一般来说，人手感觉不到的温度在2 5 左右；有温 度感觉了在3 5 度左右；温温的也就是挺暖和的感觉应该在4 5 左右，而这个温度应该 说是笔记本电脑的正常工作温度能带来最稳定的工作状态。 如果人感觉到热但还可以连续接触，这时温度应该在5 5 c 左右，我们这时就应该考虑 到散热问题了；因为我们知道，笔记本外部的温度是5 5 c 左右，那么内部元器件的温度应 该不会少于6 5 了。而c p u 温度一旦超过了8 0 ( 2 而又长时间工作，轻则死机，重则报废。 所以在连续操作过一段时间笔记本电脑后，要摸摸电脑的键盘和底部，来判断一r 这个濡度 是否已经对笔记本造成了较大的伤害。 2 3 2 散热问题对芯片发展的影响 在“国际固态电路会议”上，世界最大的电脑芯片制造商英特尔公司大声疾呼。如果芯片 的性能继续以目前的高速度发展，耗能和散热将成为横在其前进路上最大的绊脚石。能否解 决这两个问题，将成为整个信息产业甚至全球经济性命交关的大问题。 研究人员正在研究容量更大的高速缓冲存储器或是在同一块硅片上放置多个微处理器， 来提高芯片效率。与目前的超级计算机功能相当的芯片问世后，人可以通过语言甚至面部表 情与台式计算机进行交流，便携设备的无线通信功能会大大提高。网络处理器也会是受益者 数据将会更快地在因特网上传输。针对这些，太阳微系统公司高级1 二程师刘冬子说，传统的 芯片散热方法有安装风扇和外置散热片，但随着计算机等设备日益小型化，传统方法已经很难 继续提高散热能力。信息技术产业正在实验新的冷却技术，包括新型的液体冷却剂以及制 2 东南大学硕士学位论文 造耗能低的晶体，目前主要的还是制造与芯片成为一体的内置散热管。 芯片性能的快速提高导致以信息技术为主导的新经济蓬勃发展。然而，随着晶体管集成 度的提高，芯片耗能和散热问题渐渐凸显出来。英特尔公司芯片设计负责人说：“目前我们在 设计和制造芯片时仅受到生产成本的限制。但放眼看去，耗能和散热将成为一个根本性的限 制戒们必须在芯片总体设计中认真考虑这两个问题。” 2 3 3 热管在笔记本电脑中的应用 热管散热技术在笔记本电脑中被广泛应用，以m mt h i n k p a d 晟为常见。笔记本中的热 管，热端置于c p u 上方的散热片上，和台式机不同的是，笔记本中的散热片不可能做的那 么厚，为了保证散热面积一般是做的薄而大，因此称之为散热板，将散热片做的如此大， 就是希望能将笔记本电脑中处理器集中的热量传递到整片散热片上。主机板的底郝和上部 各有一块金属散热板在c p u 的位置有协助散热的系统，接受来自c p u 的热