（制冷及低温工程专业论文）热管散热器散热性能的实验研究与数值模拟.pdf

摘要 随着集成电路技术的迅速发展和m e m s 技术的进步，电子元器件的总功率密 度大幅度增长而物理尺寸却越来越小，随之热流密度也极具增加，使得散热问题 日益突出。其中尤以计算机服务器中的c p u 散热突出。然而近年来，随着各国对 超级计算机的加紧研制，c p u 的结构体系已经由传统的单一芯片向多核芯片发 展，使得散热问题更为严峻，已成为制约计算机产业发展的重要技术瓶颈之一。 因而迫切需要采用高效散热技术来解决此问题，这也是国内外该领域众所关心的 一个重要课题。热管作为一种高效传热元件，具有极高的导热性、优良的等温性、 高散热效率和良好的环境适应性等特点，非常适合于小温差高热流密度条件下的 散热。将热管技术应用于c p u 的冷却，已经成为当前c p u 散热方式的发展趋势。 本论文以日本某公司最新冷却技术为依托，针对计算机芯片冷却问题展开了 一系列的数值模拟与实验研究。首先对三种不同型式的热管散热器( 对称u 型热 管散热器、非对称u 型热管散热器、“工 型热管散热器) ，利用专业散热模拟 软件f l o t h e r m 对其散热特性进行了数值模拟分析，包括散热器的温度分布， 热管的温度分布、风道内的温度分布、流场分布，压力场分布等，并对热扩散板 进行了传热效果优化分析，通过提高散热器底面的热扩散能力改善散热效率，提 高冷却能力。通过分析发现，热管的排列方式可影响散热器的散热效果，并进行 了数值模拟分析。在原有热管散热器的基础上，设计并模拟了一种新型热管散热 器，通过与非对称u 型热管散热器的数据比较，发现这种将散热器底板内热管延 长并插入翅片中的散热器可有效提高散热性能。 在本课题组自行搭建的“高热流密度器件散热性能研究实验台 上，对三种 热管散热器进行了不同热流密度和风速条件下的散热性能实验，获得了不同工况 下各种散热器的性能参数。通过对数值模拟计算与实验结果的比照，验证了数值 模拟的可靠性，并对三种热管散热器的散热冷却特性进行了比较分析。包括热扩 散板中心温度、散热器底板上、下表面温度场分布、散热器扩散热阻、散热总热 阻、当量对流换热系数、压降等。为了准确获得散热器上表面的温度分布，利用 热像仪测取了散热器的红外图像。对比证实，计算结果与热电偶测试基本吻合， 同时也佐证了数值模拟结果的可靠性。 关键词：c p u 电子器件冷却热管散热器热扩散板红外热像 a b s t r a c t w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fi n t e g r a t e dc i r c u i tt e c h n i q u ea n dm e m s t e c h n o l o g y , t h et o t a lp o w e rd e n s i t yo fe l e c t r o n i cc o m p o n e n t sh a sb e e ns i g n i f i c a n t l y i n c r e a s e d ，o nt h ec o n t r a r y , t h ep h y s i c a ls i z eo ft h e ma r eg e t t i n gs m a l l e ra n ds m a l l e r , w h i c hr e s u l ti nh e a tf l u xd e n s i t yh i g h l yi n c r e a s i n ga n dt h ed i f f i c u l tp r o b l e mt or e m o v e t h eh e a th a v eb e c o m ei n c r e a s i n g l yp r o m i n e n t p a r t i c u l a r l y , t h ec p uc o o l i n go f c o m p u t e rs e r v e r s i st h em o s th i g h l i g h t e d h o w e v e ri nr e c e n ty e a r s ，t h es u p e r c o m p u t e r h a sb e e np a i da t t e n t i o nb ym a n yc o u n t r i e sa n dt h es t r u c t u r eo ft h ec p ub e c o m e m u l t i - c o r ec h i p so t h e rt h a nt h et r a d i t i o n a ls i n g l e - c h i p a l lo ft h a tm a k et or e m o v es o m u c hh e a tm o r ed i f f i c u l t ，w h i c hh a sb e e nb e c a m eo n eo ft h ei m p o r t a n tt e c h n i c a l b o t t l e n e c k sa n dc o n s t r a i n e dt h ed e v e l o p m e n to fc o m p u t e ri n d u s t r y h e n c et h en e w a n de f f e c t i v et h c h n o l o g yw i h i c hi st h ei m p o r t a n tr e s e a r c ht o p i ci nt h ew o r l dh a st ob e u s e dt os o l v et h i sp r o b l e m a so n eo fh i g he f f e c t i v eh e a tt r a n s f e rc o m p o n e n t s ，h e a t p i p eh a sm a n yc h a r a c t e r i s t i c s ，s u c ha st h ev e r yh i g ht h e r m a lc o n d u c t i v i t y , e x c e l l e n t i s o t h e r m a lp e r f o r m a n c e ，h i g ht h e r m a le f f i c i e n c ya n dg o o de n v i r o n m e n t a la d a p t a b i l i t y , e t c s oi ti ss u i t a b l ef o rc o o l i n gu n d e rt h ec o n d i t i o no fs m a l lt e m p e r a t u r ed i f f e r e n c e b u th i g hh e a tf l u x t h eh e a tp i p et e c h n o l o g yh a sb e c o m et h et r e n dt oc o o lt h ec p u t h i sp a p e rb a s e do nt h el a t e s tc o o l i n gt e c h n o l o g yo fac o m p a n yi nj a p a nc a r r i e d o u tas e r i e so fe x p e r i m e n t a lr e s e a r c ha n dn u m e r i c a ls i m u l a t i o no nc o o l i n gt h ec p u f i r s t l y , t h r e ed i f f e r e n tt y p e so fh e a t s i n k s ( s y m m e t r i c a lu t y p eh e a tp i p eh e a t s i n k ， n o n s y m m e t r i c a lu - t y p eh e a tp i p eh e a t s i n ka n d “工”t y p eh e a tp i p eh e a t s i n k ) h a v eb e e n r e s e a r c h e du s i n gt h ef l o t h e r mt os i m u l a t et h eh e a tt r a n s f e rc h a r a c t e r i s t i c st h a t i n c l u d et e m p e r a t u r ed i s t r i b u t i o n so fh e a t s i n ka n dw i n dt u n n e l ，f l o wf i e l da n dp r e s s u r e f i e l do fw i n dt u n n e la n ds oo n ；s e c o n d l y , t h e r m a ld i f f u s i o np l a t eh a sb e e no p t i m i z e d t oi n c r e a s et h e r m a ld i f f u s i o no fb o t t o ma n di m p r o v et h ec o o l i n ge f f i c i e n c yo fh e a t s i n k t h i r d l y , i tc a nb ef o u n dt h a tt h ea r r a n g e m e n to fh e a tp i p ec a n a f f e c tt h ee f f e c to fh e a t d i s s i p a t i o n a n dan u m e r i c a ls i m u l a t i o nt ov e n f yt h i sd e d u c e a tl a s t ，an e wt y p eo f h e a tp i p eh e a t s i n ki sd e s i g n e da n ds i m u l a t e d b yc o m p a r e dw i t ht h en o n s y m m e t r i c a l u t y p eh e a tp i p eh e a t s i n k ，t h en e w h e a tp i p eh e a t s i n kw h o s eh e a tp i p ee x t e n d st h e b o t t o ma n di n s e r t st h ef i n sc a ne f f e c t i v e l ye n h a n c et h eh e a tt r a n s f e rp e r f o r m a n c e u s i n gt h eh e a tt r a n s f e rp e r f o r m a n c ee x p e r i m e n t a lt a b l eo fh i g hh e a tf l u xd e n s i t y d e v i c e ，t h et h r e et y p e sh e a t s i n kh a v e b e e nc a r r i e do u th e a tt r a n s f e re x p e r i m e n tu n d e r d i f f e r e n tc o n d i t i o n so fh e a tf l u xd e n s i t ya n da i rv e l o c i t y , a n dt h ep e r f o r m a n c e p a r a m e t e r so f d i f f e r e n tc o n d i t i o n sh a v eo b t a i n e dr e s p e c t i v e l y b yc o m p a r e dn u m e r i c a l s i m u l a t i o na n de x p e r i m e n t a lr e s u l t s ，t h en u m e r i c a ls i m u l a t i o nh a sb e e nv e r i f l e dt h e r e l i a b i l i t ya n dg i v ec o m p a r a t i v ea n a l y s i so fc o o l i n gc h a r a c t e r i s t i c sa b o u tt h et h r e e t y p eh e a t s i n k s ，i n c l u d i n gt h ec e n t e rt e m p e r a t u r eo f t h e r m a ld i f f u s i o np l a t e ，t h es u r f a c e t e m p e r a t u r ed i s t r i b u t i o n o fb o t t o m ，t h e r m a ls p r e a d i n gr e s i s t a n c e ，t o t a lt h e r m a l r e s i s t a n c e ，t h ee q u i v a l e n tc o n v e c t i v eh e a tt r a n s f e rc o e f f i c i e n ta n dp r e s s u r ed r o p ，e t c i i l o r d e rt oh a v et h ev e r a c i o u st e m p e r a t u r ed i s t r i b u t i o no ft o ps u f a c e ，i n f r a r e d ( m ) t h e r m o v i s i o na r eu s e dt oa c c e s s d i s t r i b u t i o na n dp r o v e dt h er e l i a b i l i t y t h et h e r m a li m a g eo fh e a t s i n kt e m p e r a t u r e o fn u m e r i c a ls i m u l a t i o na g a i n k e yw o r d s ：e l e c t r o n i cc h i pc o o l i n g ；h e a tp i p eh e a t s i n k ；t h e r m a ld i f f u s i o np l a t e ； i n f r a r e dt h e r m a li m a g e 硕士期间发表论文情况 1 刘建林现代制冷技术近展与挑战暖通制冷空调，2 0 0 8 ，4 ：5 0 - 5 5 2 刘建林现代电子器件冷却技术的发展及应用暖通制冷空调，2 0 0 8 ，5 ：5 5 , - - 6 1 3 田金颖，诸凯，刘建林，魏杰冷却电子芯片的平板热管散热器传热性能研究制 冷学报，2 0 0 7 ，2 8 ( 6 ) ：1 8 2 2 4 田金颖，诸凯，李园园，刘建林，魏杰高性能服务器c p u 封装冷却技术能源研 究与信息，2 0 0 8 ，2 4 ( 1 ) ：1 7 - 2 2 关于论文使用授权的说明 本人同意授权天津商业大学将论文的全部内容或部分内容提供给有关方 面，编入中国学位论文全文数据库、中国优秀博硕士学位论文全文数据库、 天津商业大学博硕士学位论文全文数据库等有关数据库进行检索，并采用影 印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅或借阅。同意学校向国家有关部 门或机构送交论文的复印件和磁盘。 第一章前沿 1 1 研究背景及意义 借助于微电子学( m i c r o e l e c t r o a l c s ) 和微电子技术的出现和发展，现在的电子 器件及设备向着小型化、紧凑化、高性能的方向发展。1 9 6 5 午4 月，时任仙童公 司电子工程师，i n t e l 公司创始人之一的摩尔在e l e c t r o n i c s ) ) 杂志上发表文章提出 了著名的“摩尔定律”。根据“摩尔定律”推算：芯片上的晶体管数量每1 8 个月 翻一番，如图卜1 所示。1 9 9 7 年i n t v l 公司推出的p e n t i u m i i 芯片上有7 5 0 万个晶体 管，1 9 9 9 年推出的p e m i u m1 1 1 1 入了o 2 5 微米工艺，芯片上有9 5 0 万个晶体管，其 芯片面积只有2 0 m m x 2 0 m m 左右。诞生于2 0 0 0 年的p e n t i u m4 生产工艺升级为01 8 微米，芯片面积为2 1 7 n u n 2 ，但晶体管数量却高达4 2 0 0 万。2 0 0 6 年1 月生产的一颗 实验性4 5 姗工艺静态s r a m 芯片，晶体管总数已超过1 0 亿。日前i n t e l 公司最先进 的i m n i u m 芯片已含有1 7 亿个晶体管。现在，主流集成电路设计已经达到0l $ u m 0 1 3 u r n ，高端设计已经进k 9 0 n m 和4 5 n m 。, 限据i t r s ( i n t e r n a t i o n a lt e c h n o l o g y r o a d m a pf v rs e m i c o n d u c t o r ) 公布的预测结果，2 0 1 0 年将实现4 s n m ，2 0 1 3 年将实 现3 2 r i m ，2 0 1 6 年将实现2 2 r i m 量产。此时的集成电路已成为纳米器件。由此可见， 现代电子设备正日益成为由高密度组装、微组装所形成的高度集成系统。高集成 度对于电子设备性能的升级是有利的。然而由此带来的问题是，耗能和散热问题 也凸现出来。i n t e l 公司负责芯片内部设计的首席技术官帕特盖尔欣格指出。在未 来，耗能和散热将成为一个根本性的限制，必须在芯片设计中认真考虑这两个问 题。 屠爹 图1 - 1 摩尔定律 众所周知，电子元器件的故障发生率是随工作温度的提高而呈指数关系增长 的【j i 。以c p u 为倒，由于其集成度、封装密度以及工作时钟频率的不断提高， 而其物理尺寸却在不断减小，因此导致表面热流密度极具增大，工作温度迅速飙 第一章前沿 升，直接威胁着c p u 的运行稳定性及安全性。i t r s 2 1 根据目前几大生产大型计 算机的公司所生产产品提供的数据预测出c p u 功耗总量的发展趋势，如图1 2 所示。 誊 k 口 蓉 阻 3 皿 。 图1 - 2c p u 功耗随年代增长图 可见c p u 的耗能量在不久的将来有可能将超过5 0 0 w ，相应的平均热流密 度将超过2 5 0 w c m 2 。同时由于c p u 的物理尺寸的减小和设计的复杂化导致了芯 片表面能量分布的不均匀，即在芯片表面出现局部热量过高的区域一一热点 ( h o t s p o t ) 。这些“热点导致芯片局部表面温度急剧增高并形成了大的温度梯 度，从而影响高性能服务器运行的稳定性。 近年来，随着对高性能计算机和大型服务器性能要求的提高，c p u 的结构 体系已经由传统的单一芯片向多核芯片发展，同时在芯片表面上也就出现了更多 的“热点”。优化热点分布将在封装热控制研究中占有重要地位。1 9 8 9 年欧洲信 息技术研究和发展计划( e s p r i t ) 资助了一项长达四年之久的名为“芯片高性能封 装”( a p a c h i p , e s p r i tp r o j e c t2 0 7 5 ) 的项引3 1 ，其中该项目研究的目的之一就是 解决多芯片模块的高效冷却问题。x u 【4 】建立了一个热温模型来研究多核处理器的 热特性，对“热点”的能量密度、大小、位置、数量、及总体能量耗散情况进行 了评估。i y e n g a r l 5 】对分析模型进行了改进，建立了一个散热量在1 0 0 w ，具有两 个热流密度峰值在2 0 0 w c l n 2 热点的双核芯片，对芯片表面的温度分布进行分析。 h a m a n n 6 】在其实验中观测到微处理器不均匀的能量分布，这对设计出合理的冷 却封装尺寸具有重要意义。 为了保证计算机c p u 正常运行，需要使内装电子元件维持在一定温度范围 内( 约5 - - - + 6 5 c ) j 垂_ 转【_ 7 1 。这是因为电子元件的性能对温度非常敏感，过高的温度 第一章前沿 会危及半导体的结点，损伤电路的连接界面，增加导体的阻值和形成机械应力损 伤，导致元件性能将显著下降，不能稳定工作，从而也将影响到整个系统的可靠 运行。研究资料【8 】表明：c p u 元件的温度升高i o 。c ，系统的可靠性降低5 0 ， 超过5 5 的电子设备的失效是由于温度过高引起的【9 】。c p u 的正常工作除了对最 高温度限制外，同时对c p u 表面温度的均温性提出了更高的要求。如果c p u 表 面的温度分布不均匀也将影响芯片的工作性能。 为了满足对c p u 的冷却散热手段提出的新要求，c p u 的冷却方法发生了许多 变化。从最初的自然对流散热到在c p u 芯片上安装自然对流的散热器，再到现在 常规的风冷散热器。目前广泛采用的散热方式是铝制、铜制散热片外加风扇，依 靠的是单相流体的强迫对流换热方法。通常采用的强化换热手段是增加散热器散 热面积和加大c p u 风扇的转速。但是一旦器件的热流密度过高时，空气冷却将很 难胜任，目前已经不能够满足c p u 芯片稳定工作的需要。以微电子芯片为例，目 前一般已达6 0 9 0 w c m 2 ，最高己达2 0 0 w c r r 1 2 以上。传统的单相流体的对流换热 方法和强制风冷方法只能用于热流密度不大于l o w c r n 2 的电子器件。表l - l 中提供 了常用冷却技术的单位面积最大功耗数据；因此，对超高热流密度芯片的散热技 术研究一直成为多个学科领域共同的前沿和关注的重大课题。采用新的热管理方 式已刻不容缓。这种控制散热的方法应该使热量沿着规定的通路从热源流向低温 散热器。这种方法不会使热杂乱地散射并传入相邻的元器件【l o 】。由于热管具有极 高的导热性、优良的等温性、热流密度可变性、热流方向的可逆性、恒温特性环 境的适应性等优良特点，可以满足c p u 对散热装置紧凑、可靠、控制灵活、高散 热效率、不需要维修等要求【1 1 1 。因此，国外研究人员首先提出了将热管技术与散 热器相结合的设计理念，以解决高热流密度器件的散热问题。 表1 1 常用冷却技术的单位面积最大功耗表 冷却技术单位传热面积的最大功耗 空气自然对流和辐射 强迫风冷 空气冷却板( 加翅片的强迫风冷) 液体冷却板( 强制间接液冷) 蒸发冷却( 相变冷却) 与常规散热器相比，采用热管技术的散热器有着很多优势。首先，热管是依 瑟瑟芝兰 第一章前沿 靠其内部工质的相变过程来传热的，传热能力明显高于常规导热；其次，携带大 量汽化潜热的饱和蒸汽由热管的蒸发段流动到冷凝段的过程是在等温状态下完 成的，沿途的热量损失几乎为零，可视为零热阻传输；最后，在热管的冷凝段可 加装翅片，扩大散热面积，使得热流密度很高的芯片也可通过常规的强迫空气对 流冷却方式得到有效冷却。热管散热器与其他散热系统比较情况见表1 - 2 1 2 】。 表1 2 热管散热器与其他散热系统比较表 热管原理首先由美国通用汽车公司r s g a u g l e r 于1 9 4 4 年在美国俄亥俄州通 用发动机公司提出并获得专利。他设想出一种由封闭的管子组成的装置，在管内 液体吸热蒸发后，在下方的某一装置放热冷凝，在无任何外加动力的前提下，冷 凝液体借助管内的毛细吸液芯所产生的毛细力回到上方继续吸热蒸发，如此循 环，达到热量从一处传输到另一处的目的。1 9 6 3 年，美i n l o sa l a m o s l n 家实验室 第一章前沿 的g m 。g - r o v e r t ”】重新独立发明了类似于g a u g l e r 提出的传热元件，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 【1 4 】首次提出了较完整的热管理论， 建立了热管中各个过程的基本方程，并提出了计算热管工作毛细极限的数学模 型，为以后的热管理论研究工作奠定了基础。1 9 6 6 年，k a t z o f f 【1 5 】发明了内部有 槽道的热管。槽道的作用是为从冷凝段回到蒸发段的液体提供一个压力降较小的 通道，从而大大提高了热管的传输能力。1 9 6 9 年，t d s h e p p a r d 1 6 】提出用矩形断 面的热管冷却集成电路的底板，虽然这是对常规热管的一个改进，却为平板热管 的设计提供了一个崭新的思路。1 9 6 9 年3 月3 日，k t f e l d m a n 1 7 】首先提出了一种 结构化吸液芯的平板式热管，并于1 9 7 1 年1 0 月1 9 日获得了美国专利局的专利权， 这种平板热管可以作为电子系统中元器件的热沉，起到冷却降温的作用。1 9 7 9 年，h v a n o o i j e n 和c j h o o g e n d o o m 1 8 】采用数值计算的方法，研究了有着绝热顶 板的平板热管中的蒸汽流动状况，这是平板热管由经验设计制造到理论分析研究 的开端。1 9 9 2 年，k v a f a i 和w w a n g 1 9 】研究了非对称平板式热管中的流动和热传 输特性，并在理论上第一次分析了吸液芯内的相互作用，采用积分方法研究了平 板热管中的压力场，速度场。1 9 9 6 年，a k a c l l i 【2 0 】等提出一种脉动热管( p u l s a t i n g h e a tp i p e ) ，又称回路型热管( l o o p t y p eh e a tp i p e s ) ，这种热管的工作原理与传 统热管完全不同，它是靠气泡和液塞的“脉动来循环的。 1 2 热管散热器的发展现状 纵观散热器的发展历史，可将其分为三个阶段： 第一阶段( 第一代) ：铝挤压型材、铜材散热、铜铝混合散热阶段，采用铝 型材作为散热器的基本材料，进一步发展到采用铜材或铜铝混合材料进行散热； 第二阶段( 第二代) ：普通传统的热管技术或水冷技术进行散热； 第三阶段( 第三代) ：采用新一代热管散热技术和热管热控制技术进行散热； 采用以整体热管技术、可连接热管技术、复杂热管技术为主的新一代热管散热技 术，实现对高热流密度的热源的散热，同时采用相变蓄热材料、半导体制制冷等 多种材料结合的散热阶段。 国外的一些科研机构和大公司早已开始从事热管散热器的研发工作。最简易 的热管散热器是在纯铜或纯铝散热器内嵌入热管的形式结构组成【2 1 1 。 在理论研究方面，h o w a r d 和p e t e r s o n 2 2 1 研究了布置有热管的半导体基板冷 第一章前沿 却系统。1 9 9 2 年m a l l k i 等人把微型热管作为一个完整部分用于半导体和其他领 域的散热并证明了微型小型热管是最有效的冷却电子设备的方法。同年，日本 的f u r u k a w a 电子公司【2 3 】推出了直径3 m m 的圆形热管。f a g h r i a 等f 2 4 】针对3 个几 何尺寸及形状不同的铜一水微型热管进行了研究实验，认为大深宽比的槽道使热 管具有更好的传热性能。p l e s c h 2 5 l 对几种小深宽比的微槽平板热管进行了实验研 究。证实了此种热管有较好的传热能力。y a o c a o ，m g a o 等【2 6 】加工制作了带轴 向微槽道的平板热管。他们在不同的热量输入、冷却温度、和放置位置方式下， 对其进行了实验研究。s a u c i u c 等人【2 7 】对比了平板热管散热器和以固体金属为底 座的散热器之间传热性能。并对热管的极限性能进行了分析。2 0 0 2 年，s f i k a r a n 、 k a l a h a s t i 等人【2 8 】研究了平板热管散热器的特性。文中认为，平板热管用于均热 器时，热管材料参数( 如导热系数) 对均热效果的影响比传统热管大得多。同时 认为在平板热管中毛细极限是最主要的限制。魏等【2 9 】也对平板热管散热器进行了 热性能研究。他发现传热系数与热流量和平板热管散热器的放置角度有关。随后 p r a s h e r l 3 0 】在他的文章提出了对比平板热管和固体金属板的导热模型。依赖于散热 器的底面积和底座厚度，平板热管比固体铜板可以有更低或更高的热阻。 y a v e n a s ，c g i l l o t t 3 13 2 】等对平板热管进行了热阻分析，对两种吸液芯( 烧结吸 液芯和槽道吸液芯) 作了比较，还对有充液和无充液两种情况进行了比较。j s p a r k ，j h c h o i 等【3 3 制作了内部排列了3 8 条三角形微槽道的平板热管。他们在 平板热管水平工作状态下，工作液体为水时，对其热传导性能进行了实验研究。 c g i l l o t ，a i d 等【3 4 】设计了带微槽道的平板微型热管。在不同的充液量条件下对 之进行了实验研究。v a d a k k a n 等人【3 5 】使用2 维数值模型对硅水蒸汽腔散热器进 行了研究。在毛细区和蒸汽区可以使用各自的动量方程和能量方程。毛细结构被 赋予了一个为常数的有效导热系数。在蒸汽与毛细管的界面处，蒸发被假定为由 分子运动论所确定的质量流。p r a s h e r l 3 6 】建立了既可以适应于远程冷却模式和主动 冷却模式的平板热管的热传导模型。恒定的有效导热系数被分配给蒸汽空间和毛 细结构。 我国的很多科研院所也对平板热管散热性能及理论进行了研究。张丽春，马 同泽【3 7 】等对不同管壁材料和槽道结构的三个平板小型热管进行了实验研究，研究 了工质充液率，冷凝方式等对热管性能的影响。吉林大学的苏俊林，岂兴明p 引 等手工自制了一个平板热管，用丙酮，乙醇，水等作为工质，测试了在不同加热 第一章前沿 功率下不同充液率时加热器表面的温度分布。北京工业大掣”】设计并制造了槽道 吸液芯热管式散热器和提出了内部热管束式的平板热管散热器。研究了充液率、 加热功率对热管传热特性的影响。此外南京化工大学热管技术开发研究院 4 0 l 也对 平板热管进行了研究和实验，研究了热管式均热平板在厚度方向上布置的通道孔 径和间距对散热性能的影响。牟其峥【4 l 】等针对矩形流动通道的平板热管进行了传 热性能的实验研究，同时对其建立了数值模型，采用c f d 软件进行了计算，发现 蒸汽流动呈抛物线型分布，并随流速的增加，在汽液交界面处会出现蒸汽局部回 流现象。华中科技大学的程德威，胡幼明，王惠龄 4 2 4 3 】等用无量纲形式对平板热 管流动与传热特性进行了理论分析，主要分析了平板热管蒸发段，冷凝段的气相 速度，液相速度和压降分布。 在实际产品应用方面，1 9 7 4 年联邦德国西门子公司研制成的圆盘状硅整流管 热管散热器用于电气机车的刹车装置。s o n y 公司采用扁平热管散热器对音频放大 器进行散热传热。t h e r m a c o r e 公司同样开发出了t h e r m a - b a s e 平板型热管散热器 1 4 4 1 。f u j i k u r a 公司开发出一种所谓的“仙人掌”( c a c t u s t y p e ) 式热管散热器【4 5 1 。 a i rf o r c e 公司【4 6 】研究了一种新型高效热管散热器，它的毛细结构是由折叠的薄铜 翅片组成。a c t r o n i c sc o l t d 也开发了一款热管散热裂4 7 】。该热管散热器的结构 与传统热管散热器不同，它由三层薄平板组成，可以很方便的压制成任意二维或 三维形状，用于各种不规则表面的散热。在国际上开发应用成果显著的公司有美 国的t h e r m a c o r ei n c ，日本的古河电工，f u j i k u r a 等【4 8 】。近年来，微型热管( m i n i a t u r e h e a tp i p e ) 己成功地用于笔记本电脑c p u 的散热【4 9 1 ，美国的t h e r m 和n o r e n ，日本 的f u r u k a w a 和f u j i k u r a 等公司均生产此类产品。1 9 9 2 年，中国台湾省的航能 ( e n e r t r o n ) 公司率先设计制造出应用在笔记本电脑上的热管散热组件。2 0 0 2 年起， 热管开始进入p c 台式机领域【5 0 1 ，z a l m a n 、t h e r m a l r i g h t 、t h e r m a l 、c o o l e r m a s t e r 等散热厂家纷纷推出一系列静音、低功耗且造型独特的热管散热器。 早在7 0 年代，我国就研究并试制过热管散热器，但由于当时的种种原因，没 有使这项先进技术产业化。8 0 年代后期和9 0 年代初，我国有了专业生产热管散热 器的企业，工艺成熟，质量稳定，品种逐步增多。目前，国内已经有了r m 系列 自然冷却模块热管散热器、r k 系列强制风冷模块热管散热器、r f 系列风冷平板 型散热器，i g b t 桥式整流器等模块用热管散热器，螺栓型半导体用热管散热器 和各种组合式热管散热器等等。并且发布了相应的一些行业标准【5 1 1 。但国内热管 第一章前沿 在电子电器设备中的应用主要集中在大功率电器设备的散热冷却方面，在微电子 设备中的应用仍十分薄弱。 理论和实验研究结果均表明热管散热器具有非常好的传热性能。特别是随着 c p u 功率的增加，散热量越来越大，在c p u 芯片冷却方面定将得到更广泛的应用。 1 3 本课题的研究内容 鉴于目前在国际微电子行业所遇到的高热流密度器件冷却问题，本课题从实 际应用的角度对高热流密度器件( 主要以大型计算机服务器的c p u 芯片为研究对 象) 的散热问题进行深入的研究。 论文的主要内容包括：分析热管散热器的强化传热机理和理论模型；应用专 业散热模拟软件f l o t h e r m 依据各种散热器的相关参数，建立数值物理模型， 对三种热管散热器传热性能进行数值模拟和计算分析。并对各种散热器的热扩散 板进行了传热效果优化计算，同时发现了可提高热管散热器散热性能的因素。设 计并模拟了一种新型热管散热器。最后利用红外热像仪拍摄散热器的红外热图与 模拟结果进行对比，验证数值模拟的可靠性；在本课题组自行搭建的“高热流 密度器件散热性能研究实验台”上，对三种不同型式的热管散热器进行实验研究， 测试了不同工况下各种热管散热器的性能。根据实验数据，对各种散热器的散热 冷却特性进行了比较分析，包括热扩散板中心温度、散热器底板上、下表面温度 场、散热器扩散热阻、散热器总热阻、当量对流换热系数以及压降等。 本文的创新之处在于： 1 用热扩散板上表面最高温度取代散热器底板平均温度定义散热器的总热 阻；然后对热扩散板的面积进行优化计算，在此基础上对新热管散热器的设计进 行了探讨。 2 新增了( 对称u 型热管散热器、“工 型热管散热器) 两种热管散热器 的实验测试。 3 利用红外热像仪测取散热器的温度分布，以此作为对数值模拟结果的验 证。 第二章热管散热器的理论研究 第二章热管散热器的理论研究 本章简要介绍了热管的工作原理和基本理论，热管散热器的传热极限；建立 了热管散热器的传热性能的模型，为后文热管散热器的实验研究奠定理论基础。 2 1 热管的工作原理和基本理论 2 1 1 热管的工作原理 燕残发 篼燕致砖凝段 l il f j d - 品。- - - - 旮- 睁 i 一- ： 譬叫 - - - - - ：“_ j ： 奄 ：= 。翟 。1 。， ； x 二；二。、。，。 赫毛知譬 ! = 一 必l ；lli ； 图2 - 1 热管剖面图 就热管普通的结构形式来说，如图2 1 所示，它是一个密封的结构，内部嵌 套着多孔毛细吸液芯，吸液芯浸满液体工质。通常将热管分为蒸发段、绝热段和 冷凝段三个工作段。当蒸发段受热时，通过管壁使浸透于吸液芯内的工质蒸发气 化，蒸汽在蒸发段与冷凝段之间形成的压差下通过绝热段( 即传输段) 流向冷凝 段放出热量凝结成液体，液体靠吸液芯与液体相结合所产生的毛细力的作用流回 蒸发段。如此循环反复，不断地将热量从蒸发段传输至冷凝斟5 2 1 。 2 1 2 热管的基本理论 在1 9 6 5 年c o t t e r 首次提出了较完整的热管理论【5 3 】，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根据。故也成为c o t t e r 理论。c o e t t r 理 论认为热管蒸发段和冷凝段两端的毛细压力差p 。是热管内部工作液体循环的 推动力，是用来克服蒸汽从蒸发段流向冷凝段的阻力降p v 、冷凝液体从冷凝段 回流到蒸发段的压力降a p l 和重力对流体流动引起的压力降a p g 。因此，a p 。印 p ，+ p l 十a p z 是热管正常工作的必要条件。 热管吸液芯中流体流动一般为层流。c o t t e r 建议用类似管内流动的公式来计 算吸液芯多孔物质中液体的流动阻力。对于热管内蒸汽的流动压降，考虑了蒸汽 的径向流动所产生的影响。并假定蒸汽的轴向流动为不可压缩层流流动，在蒸发 段有蒸汽均匀地沿径向注入到流道中，而在冷凝段有蒸汽沿径向均匀地流向管 第二章热管散热器的理论研究 壁，被吸液芯吸收。并用径向雷诺数来判定蒸汽的径向流动的情况。当l r e ，l 口1 时，蒸汽流动中粘滞力起支配作用，速度分布曲线接近于通常的p o i s e u i l l e 抛物 线。：i ! e i r e l 较大时，蒸发段和冷凝段的流动情况有所不同。对于热管内汽一液交 界面压差与质量流之间的关系，在热管的蒸发段，为了维持工作液体连续的蒸发， 必须使圪大于。；而在冷凝段为了维持工作液体连续的冷凝，必须使p w 大于 p 。p 。是与蒸发段液体表面温度互对应的蒸汽压力；p ，。为蒸发段的蒸汽压力； p ，。是冷凝段的蒸汽压力；p 。为与蒸冷凝段液体表面温度t 对应的蒸汽压力。在 热管的具体条件下，不计辐射，热流密度由对流和传导两部分组成。热管工作时 具有以下特征： ( 1 ) 轴向传热量大： ( 2 ) 轴向和径向的温度梯度都很小； ( 3 ) 轴向导热量和对流相比可略去不计。 因此，热管的轴向对流的传热方式主要是对流( 包括气体、液体两部分) 。轴 向传热是由蒸汽流到冷凝段释放出潜热完成的。 c o t t e r 理论的基本内容如下： ( 1 ) 根据静力平衡条件确定了最大毛细压差与热管最大长度的关系； ( 2 ) 根据质量守恒定律、连续性方程及h a g e n p o i s e u i l l e 方程导出流体压降的 微分方程式； ( 3 ) 利用别人的研究结果，确定热管内蒸汽流动压降的微分方程式； ( 4 ) 根据气体分子动力理论建立汽一液交界面上压差与质量流之间的关系 式； ( 5 ) 根据能量守恒定律，建立热流量和质量流量间的关系式； ( 6 ) 给出特定的条件下( 均匀加入热量和均匀输出热量) 微分方程解； ( 7 ) 热管管壁温度与汽一液界面处温度的关系。 2 1 3 热管散热器的传热极限 热管的传热能力虽然很大，但是有许多因素制约着热管的工作能力。也就是 说，热管的传热存在着一系列的传热极限，限制热管传热的物理现象为毛细力、 声速、携带、沸腾、冷冻启动、连续蒸汽、蒸汽压力及冷凝等，这些传热极限与 热管尺寸、形状、工作介质、吸液芯结构、工作温度等有关，限制热管传热量的 第二章热管散热器的理论研究 类型是由该热管在某工作温度下各传热极限的最小值所决定的。 用于c p u 冷却领域的热管散热器通常都是小型热管散热器，随着热管散热器 的热管尺寸的减小，热管的一些性能特性与常规热管不同。由于在热管散热器刚 启动时，c p u 的发热量不大，热管蒸发段吸收不到足够热量，内部液体还没有发 生相变或蒸发速度缓慢，此时在热管内遇到的一般是蒸汽连续流动极限，此极限 仅限制了热管散热器在低散热功率下的工作，随着散热功率的增大，热管蒸发段 温度的升高，此极限会消失。因而，对于c p u 冷却用的小型热管散热器来说最重 要的传热极限是毛细极限和阻塞极限。这两种极限产生的现象都相似，就是蒸发 段部分的温度急剧上升，超过允许温度，造成热管散热器的失效。但是毛细极限 主要是由于从冷凝段返回到蒸发段的液体工质不足，造成蒸发段出现千涸现象。 在实际中小型热管散热器还常常出现堵塞极限，一般可由两方面因素导致这种现 象：一方面是热管在制造中真空度达不到要求，所充工质的量较小，不凝气体的 相对量较多，热管在运行时冷凝段被不凝性气体堵塞的面积较大；另一方面是所 充的液体工质量与热管散热器的实际运行工况不匹配，在热管散热器的冷凝段产 生了液体堵塞现象，造成冷凝换热面积减少，从而导致蒸发段的运行温度超过允 许温度，热管散热器失效。当蒸发段的温度突然增加时，此时的热负荷就为热管 散热器的传热极限。由于热管传热机理的复杂性，造成热管达到传热极限的因素 很多，如充液量、工质的物性、热管的几何尺寸及其工作温度等，