（人机与环境工程专业论文）新型电子散热热管冷板的性能试验研究与数值模拟.pdf

新型电子散热热管冷板的性能试验研究与数值模拟 a b s t r a c t u n d e rt h e s u p p o r t o fn a t i o n a ld e f e n s e p r e s t u d y f o u n d a t i o n a l p r o d a m o f s h i p b u i l d i n gi n d u s t r y w i t ht h eg r a n tn o 2 0 0 0 j 4 3 1 1 1 ，n e wc o o l i n gt e c h n o l o g yt o r e a l i z et h e r m a lc o n t r o lo fa r r a ye l e c t r o n i c e q u i p m e n t sw i t hh i g hh e a td i s s i p a t i o n p o w e r , h i g hh e a t f l u xa n dm u l t i h e a t s o u r c ei nc o n f i n e d s p a c e a r e s y s t e m a t i c a l l y s t u d i e di nt h i sd i s s e r t a t i o n t h em a i nr e s e a r c hw o r ki n v o l v e di nt h i sd i s s e r t a t i o n i n c l u d e sf i v e a s p e c t s ：( 1 ) a f t e r c o n t r a s ta n a l y s i so fd i f f e r e n t c o o l i n gt e c h n i q u e s a p p l i e dt oc o o l i n ge l e c t r o n i c se q u i p m e n t sa n df u l lc o m m e n t a r yo fa l ls o r t so fh e a t p i p e u s e dt oc o o le l e c t r o n i c s e q u i p m e n t s ，t h e na c c o r d i n g t oh e a t d i s s i p a t i o n c h a r a c t e r i s t i c sc ，f t h ew o r k i n ga r r a ya r l t e n n a si ns h i p b o r n er a d a r ，af u l l yn e w t y p eh e a t p i p ec o l dp l a t ei sd e s i g n e da n dm a n u f a c t u r e d ( 2 ) e x p e r i m e n t a ls y s t e mt ot e s tt h e p e r f o r m a n c eo ft h en e wt y p eh e a tp i p ec o l dp l a t ei sd e s i g n e da n de s t a b l i s h e d ，a n d t h e nb a s e do nt h ee x p e r i m e n t a ls y s t e m ，s y s t e m i c a l l ye x p e r i m e n t a li n v e s t i g a t i o no n s t a r t u pp e r f o r m a n c e a n dw a l lt e m p e r a t u r ed i s t r i b u t i o nc h a r a c t e r i s t i c sa n dh e a tt r a n s f e r p e r f o r m a n c eo ft h en e wt y p eh e a tp i p ec o l dp l a t ea r ec a r r i e do u tu n d e rd i f f e r e n t h e a t i n gp o w e r , d i f f e r e n th e a t i n gm e a n s ，d i f f e r e n tc o o l i n gi n t e n s i t y ，d i f f e r e n tt i l ta n g l e a n dd i f f e r e n tf i l l i n gc h a r g ea n dg a i n e de f f e c t so fd i f f e r e n tf a c t o r so nh e a tp i p ec o l d p l a t e r u r m i n gp e r f o r m a n c e ( 3 ) t w of l u i dm o d e la n di p s aa l g o r i t h ma r ei n t r o d u c e d t os i m u l a t ea n dc a l c u l a t es t e a m v a p o rt w op h a s ef l o wa n dh e a tt r a n s f e rp e r f o r m a n c e i nh e a tp i p ef i r s t l y , t h e nas e to fn u m e r i c a ls i m u l a t i o nm e t h o di se s t a b l i s h e di nw h i c h s i m p l ea l g o r i t h me m b e d d e di np h o e n i c ss o f t w a r ea r ee m p l o y e dt os o l v ev a p o r p h a s ea n ds t e a mp h a s es e p a r a t e l ya n dt h e ni p s aa l g o r i t h me m b e d d e di np h o e n i c s s o f t w a r ea r ee m p l o y e dt os o l v e i n t e r - p h a s er e c i p r o c i t y o fv a p o rp h a s ea n ds t e a m p h a s e ( 4 ) a r e rv a l i d a t i o na n dc o n t r a s tt oe x p e r i m e n t a lr e s u l t sr e p o r t e di nl i t e r a l u r e t h em e t h o di s e m p l o y e dt o c a l c u l a t es t e a m v a p o rt w op h a s ef l o wa n dh e a tt r a n s f e r p e r f o r m a n c e i nt h ef l e wt y p eh e a t p i p ec o l dp l a t ea n ds a t i s f a c t o r yr e s u l t sa r eg a i n e d k e y w o r d s ：h e a tp i p e ，c o l dp l a t e ，e l e c t r o n i c sc o o l i n g ，h e a tt r a n s f e r , f l u i df l o w , t w o f l u i dm o d e l ，n u m e r i c a ls i m u l a t i o n ，e x p e r i m e n t a ls t u d y i i 承诺书 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导 下，独立进行研究工作所取得的成果。尽我所知，除文中已 经注明引用的内容外，本学位论文的研究成果不包含任何他 人享有著作权的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献 的其他个人和集体，均已在文中以明确方式标明。 本人授权南京航空航天大学可以有权保留送交论文的 复印件，允许论文被查阅和借阅，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、缩印或其 他复制手段保存论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本承诺书) 作者签名：圣塾挝 日 期：翘垒! u 南京航空航天大学博士学位论文 注释表 ( 若文中另有说明，则以文中为准) 1 英文字符 4表面积；i t l 2 肋 毕渥数 c ，定压比热容；j ( k g k ) 直径；m m 直径：m m 重力加速度；m s 。 对流换热系数；w ( m 2 - k 1 长度：m m 质量流量：k e d s 热管充液量：k g 蒸汽空间所占的工质质量；埏 p 压力；p a p 散热功率：w 或k w n 普朗特数 热流密度：w 加2 冷却水体积流量：l 1 1 汽化潜热；k j k g 热阻；刚w 或w 雷诺数 温度； 起动时间；m i n 充液液体的容积与蒸发段容 积之比 m ， 黧管工艺结构附加的充液量； y 充液率 k 它 n 气体常数v 冷却水速度；m 5 k 传热系数；w ( m 2 k )x ，y ，z 直角坐标 n u n u s s e l t 数 2 希腊符号 d 对流换热系数；w ( m l k l 丑一导热系数；w ( m k 1 西 直径：m m p 密度；k g m 3 b 许用应力；m p a 毛管排修正系数 7 c 圆周周期率 ；。摩擦修正系数 - i x g q ， r m 丁， 哆 d d g 上m m 帆 新型电子散热热管冷板的性能试验研究与数值模拟 动力粘度；p a s v 运动粘度；m 2 s o - 液体表面张力；n m ， 比热容比 下标 绝热段 沸腾 热管冷凝段 热管蒸发段 有效值 湍流流动的d a r c y 阻力系数 内径 冷却水进口 厶倾角修正系数 口倾角： 占液膜厚度；m m 液体 平均值 最大值 冷却水出口 饱和状态 蒸汽 冷却水 平均 ， m 刚。 。眦 上 口。够厂；咖 3 南京航空航天大学博士学位论文 第一章绪论 本章摘要：本章首先对电子设备可靠性热设计的必要性和方法进行了概述，对 应用于电子设备散热的各种冷却技术进行了较为全面的对比分析，接着着重对 应用于电子设备散热冷却的各种热管技术进行了全面的述评。在本章的最后， 叙述了本文研究工作的背景和研究对象所面当的严酷的传热要求和热控制目 标，对本文的主要工作进行了提要性的说明。 1 1 电子设备可靠性热设计的必要性及设计方法 在电子设备中，热功率损耗通常表现为耗散热的形式，而任何具有一定电 阻值的电子元器件对于运行中的电子设备而言都是一个内部生热源。元器件的 耗散生热会直接导致电子设备温度水平的升高和热应力应变的增加，从而进一 步使得元器件、电路板、组件及设备在较高的温度下不能可靠地工作，甚至缩 短其工作寿命，即产生所谓的“热致失效”。实践证明，随着自身温度水平的上 升，电子元器件及设备的失效率呈指数增长，甚至有的器件在环境温度每升高 i o 。c 时其失效率往往会增加一个数量级，这就是所谓的“1 0 c 法则”吼 例11 电子器件温度与故障的关系 图1 2 各种环境因素对电子设各火效影响的比重 随着电子设备中元器件的集成度和耗散功率的闩益提高，“热致失效”已经 成为电子设备最主要的失效形式之一，对电子设备的工作可靠性造成严重威胁， 成为电子设备设计中的瓶颈( 图12 ) 。通过比较分析各种工程实例可以发现， 堑型皇王墼垫垫篁堡堡塑丝鐾堕墅竺至兰塑堕型 使得电子设备面临日益严苛的热负荷水平的内因主要来自于三个方面一1 ：( 1 ) 随 着微电子技术的迅速发展，微电子器件封装密度得到了迅速提高。目前，芯片 上的逻辑门数量高达数百万，每个芯片上的i o 数可超过6 0 0 个，致使芯片的耗 散功率密度( 即所产生的热流密度) 值迅速提高。研究表明，芯片级的热流密 度已经高达i o o w f c m 2 。( 2 ) 电子设备日益复杂，而且不断向微小型化发展，以 适应空间尺寸等的特殊需求，导致在元器件数量增加的同时要求设备外形不断 缩小，因此随着元器件集成度的提高，热量集中，龟子设备局部温度过高，导 致电子元器件工作于高温环境下而失效。( 3 ) 电子设备的使用范围日益广泛， 使用环境( 热环境) 变化很大，特别是在兢空航天领域里，电子设备所处环境 温度高、温差变化大、条件苛刻。例如，飞机内设备舱的非工作环境温度范围 是一5 7 。c 9 5 c ，工作环境温度范围为一5 44 c 7 1 h 】。电子设备所处的热环境将 使构成电子设备的电路板、元器件的温度升高或降低，或者受到热冲击和热疲 劳。电子设备在这种苛刻的热环境下性能会极大地下降，将不能可靠地工作， 甚至面临降低工作寿命和失效的危险。 表1 1各种电子元器件在高温和低温- 卜的失效率投比值1 3 基本失效率高、低温失效率 元器件名称 a 高温 低温比值 晶体管1 6 0 时o 0 6 4 4 0 时0 0 0 81 2 08 ：1 玻璃和陶瓷电容 1 2 5 时0 0 2 94 0 时00 0 0 98 53 2 ：i 变压器和线圈8 5 时0 0 2 6 7 4 0 时00 0 14 5 2 7 ：1 电阻( 碳膜电阻) 9 0 时0 0 0 6 34 0 时0 0 0 0 25 03 】：1 集成电路芯片 9 0 时0 5 t 4 0 时0 0 0 6 8 5 075 ：1 为了获得设计优良且工作可靠的电子元器件和设备，就必须通过电子设备 可靠性热设计【6 】f 7 1 ，设计并实施各种有效的电子冷却和热控技术，将电子设备中 的耗散生热迅速有效地带走并传给外部环境，使得元器件设备的温度不超过功 能极限温度和最高允许温度，同时保证元器件或设备的温度分布能满足系统可 靠性指标的要求。电子设备可靠性热设计通常分为三个层次：( 1 ) 系统级 ( s y s t e m s ) ，如电孑设备枧箱、机框及方腔等的热设计；( 2 ) 封装级 ( p a c k a g e s ) ，如电子模块、散热器、p c b 板等的热设计；f3 ) 组件级 ( c o m p o n e n t s ) ，如元器件的热设计。 在进行具体的电子设备可靠性热设计时，由于要考虑的因素非常之多且往 往因素之间存在相互影响和耦合，因此在针对实际工程问题进行热设计时要获 2 一 南京航空航天大学博士学位论文 得最佳的热设计方案是不容易的，必须遵循一定的设计准则，主要包括“1 ：( 1 ) 热设计应与其它设计( 电气设计、结构设计、可靠性设计等) 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；( 2 ) 热设计应与维修性设计相结合， 提高设备的可维修性：( 3 ) 根据功耗发热、环境温度、允许工作温度、可靠性 要求以及尺寸、重量、冷却所需功率、经济性与安全等因素，尽可能选择适用 于电子设备环境条件的最简单经济而又最有效的冷却方法；( 4 ) 应把电子设备 与直接冷却介质隔离开，或采用间接冷却：( 5 ) 应考虑太阳辐射给设备、设备 护罩等带来的过热问题，考虑相应的防护措施；( 6 ) 应考虑防止燃料油微粒、 灰尘、纤维微粒等沉积物的措施，以免增大设备的热阻，降低冷却效果；( 7 ) 应尽量防止由于工作周期、功率变化、热环境变化以及冷却剂温度变化引起的 元器件温度波动，将该波动降至最低程度，以免影响设备的可靠性；( 8 ) 热设 计应保证电子设备在紧急情况下，具有最起码的冷却措施。关键的部件或设备， 即使在冷却系统的某些部分遭到破坏甚至不工作的情况下，仍应具有继续工作 的能力。 在对具体电子设备进行热设计时，宜按照以下步骤来进行【5 】：( 1 ) 参照与 热设计有关的各种标准、规范及其它相关文件，确定设备( 或元器件) 的散热 面积、散热器或冷却剂的最高和最低环境温度范围；( 2 ) 根据设备可靠性及分 配给每个元器件的失效率，确定各个元器件的最高允许温度和功耗：( 3 ) 对比 分析可以利用的冷却技术及其各自的限制，对可选的多种方案进行优选，并确 定最终方案；( 4 ) 在进行热设计的同时，还应考虑可靠性、安全性、维修性及 电磁兼容性设计的要求和限制。 1 2 当前电子设备散热冷却技术述评 电子电器设备的高效散热冷却是现代传热技术的主要应用之一。电子元器 件可靠性的改善、功率容量的增加以及结构的微小型化等的实现都直接取决于 器件本身热控制的完善程度。近年来，电子器件的高频、高速以及集成电路的 密集并d t j , 型化，使得单位体积电子器件的耗散发热量迅速增大，要求散热冷却 手段具有紧凑牲、可靠性、灵活性、高散热功率、高热流密度和不需要维修等 特点，从而为现代传热技术在电子冷却领域的应用提出了新的课题和挑战。近 年来对新型冷却剂特性、接触热阻的理论研究和新型冷却方式的基础性研究， 促进了一批新颖有效的冷却技术的研究和工程应用，如浸渍冷却、冷板冷却、 相变冷却、热电致冷和热管冷却等【6 】。 1 新型电子散热热管冷板的性能试验研究与数值模拟 电子设备与微电子设备的散热冷却技术是随着电子技术及工程传热学的发 展而不断充实和完善的。b l a n d 等【9 】综述了航空工业直至1 9 9 0 年新开发应用的 几种高冷却热流、高冷却功率散热技术，文献【1 0 】对直至1 9 9 7 年的电子散热技 术进行了述评。c h u 等 1 l 】对i b m 公司四十多年来设计、开发和应用的众多电子 散热冷却技术进行了综述，讨论了目前的电子散热冷却难题，并对电子冷却技 术面临的近期和远期挑战进行了预测。胡志勇【l 副对应用于电子设备散热冷却的 各种常规技术进行了概述，比较了各自的适用范围和优缺点。徐超等【l3 】综述了 1 9 9 7 年至2 0 0 2 年间应用于主板级和芯片级电子器件冷却的空气射流冷却技术、 包括微通道液体相变传热在内的各种液体冷却技术、热管冷却技术和热电致冷 冷却技术，指出在实际电子设备散热冷却应用中各种方法一般都不是单独使用 的，各种方法混和设计的原则是要设法改善发热芯片、散热器及冷却剂之f n 的 热接触性能。b e r g t e s 等 1 4 j 对过去八十年以来的电子设备冷却技术进行了回顾， 并着重对过去五十年电子设备冷却技术的发展进行了综述，指出各种冷却技术 都面临着电予器件微型小型化所带来的挑战，为了获得优良的冷却方案，传热 设计现在已经成为微电子器件设计过程的重要组成部分。本小节对当前应用于 电子设备强化散热冷却的各类技术进行了概述和优缺点对比分析。 1 2 1 自然对流冷却 在自然对流冷却中，设备内部的功率耗散生热先通过导热、对流、辐射等 传向机壳，再由机壳通过对流和辐射将热量传至周围介质。自然对流依赖于流 体的密度变化，驱动力不大，因此在流动路径中容易受到障碍和阻力的影响而 降低流体的流速和冷却速率。但由于其冷却成本低、可靠性高且不涉及维护问 题，在空气流动路径清晰干净且畅通的情况下，广泛应用于热流密度不太高、 温升要求也不高的电子设备冷却中。在设计实施自然对流冷却技术时，为了增 强电子设备自然冷却的能力，应注意改善设备内部的电子元件和机壳的传热能 力，并尽量降低传热路径各个环节的热阻，形成一条低热阻热流通路。 1 2 2 强制对流冷却 强制对流冷却分为空气和液体两种方式。与自然对流冷却相比，强制空气对 流冷却的换热量比自然对流和辐射要大十倍左右f 1 5 , 1 6 1 ，因此能够大大减小电子设 备散热的表面积，使其能具有更高的元器件密度和更高的热点温度。强制空气 对流冷却，按照风机的工作方式可以分为抽风冷却和吹风冷却，当设备热源分 4 一 南京航空航天大学博士学位论文 布均匀时采用抽风冷却，热源分布不均匀时则采用吹风冷却。按照空气流经发 热元件的方向，强制空气冷却又分为横向通风冷却和纵向通风冷却。横向通风 冷却就是冷却空气通过静压风道流向需散热的元器件或散热器，发生换热后， 热空气从设备的另侧排出。纵向通风冷却用于垂直安装的印刷电路板等，空 气从下部进入设备，发生换热后，热空气从上部排出。在设计强制对流冷却系 统时，需合理地布置各个发热元器件，发热少耐温性差的元器件排在气流的上 游，然后按耐温性由低到高排列。这种冷却方法多用于耗散生热量不大的电子 设备。强制风冷与强制液冷、蒸发冷却相比，具有设备简单、成本低、电子元 器件易于更换维修等特点，对陆用设备是非常合适的一种冷却方法。 由于液体的导热系数及比热均比空气大很多，因而可以大大减小各有关换 热环节的热阻，提高冷却效率。强制液冷的热流密度可高达4 5 k w c m 2 ，且热负 载均匀，温度梯度小，结构紧凑。在设计强制液冷时，要考虑冷却剂的热物性、 电气特性、相容性和经济性；要正确选择泵的压力和冷却剂二次冷却的方式等。 其缺点是系统比较复杂，体积和重量较大，设备费用高，维修较困难，多用于 机载产品的电子设备中。目前液冷技术正沿着两个不同的方向发展 1 3 1 ：一是用 来处理机器产生的热量使器件温度和器件温差限制在可接受的水平上：另一个 是使器件和电路处于极低的温度状态下以提高器件开关速度和降低金属布线电 阻，从而提高电子设备的性能。超低温冷却技术为液冷应用开辟了一个新的领 域，是在特定的条件下提高电子设备性能的有效手段。 1 2 3 冷板间接冷却 当采用间接冷却方法冷却时，元器件与冷却介质不直接接触，热量先经由 换热器或冷板带走再传给冷却介质，并最终由冷却介质传给外部环境。 冷板属于单流体热交换器，由于其有一组扩展表面结构，冷板内部通道的 当量直径小，且便于采用有利于增强对流换热的各种肋表面，因此作为电子设 备强化散热装置，其优点明显：( 1 ) 可以带走较大的热量，如气冷式冷板可达 1 5 5 k w m 2 ，液冷式冷板可达4 6 5 k w m 2 ：( 2 ) 冷板采用热的良导体制成，板的 厚度小，而且内部往往开有通道，因此冷板上的热负荷通常比较均匀、温度梯 度小；( 3 ) 结构紧凑，换热效率高；( 4 ) 与同体积的其他热交换器相比，其尺 寸小、曩量轻、传热面积大；( 5 ) 由于采用间接冷却方式，困此电子器件不与 冷却流体直接接触，受污染和腐蚀的机率大大减小，工作可靠性能得到很大提 高；( 6 ) 其散热能力比直接冷却的浸液冷却方式小，但是其冷却剂消耗小，同 新型电子散热热管冷板的性能试验研究与数值模拟 时也便于采用更有效的冷却剂和强化手段来提高换热效率。 正由于具备上述优点，使得冷板在电子设备冷却上具有广阔的应用前景。 国外自二十世纪八十年代以来，己经在海、陆、空等军用电子装备上广泛采用。 在我国，也出现了不少采用冷板冷却电子设备的实例【1 ”，但遗憾的是，国内 到目前为止还只有极少几家生产冷板的专业厂，因此采用该冷却技术时大多是 通过自行设计制造而成的少数几件甚至单件，费工、费料且成本高，产品质量 往往也很难保证，维护时又会由于缺乏相关标准和规程而难以实施。 冷板冷却方法按照冷却介质的不同可分为气冷式冷板和液冷式冷板。气冷 式冷板以空气为冷却介质，一般由盖板、肋片、底板和端封组成。肋片是冷板 的主要零件，也是组成扩展表面的基本部分，肋片材料一般为铝材或铜材，气 冷式冷板是一种常用的间接冷却散热方法，其结构简单，易于实现，工作压力 应小于2m p a 。其缺点是散热能力有限，结构尺寸较大，散热效率较液冷式冷板 低得多，常用于小型的机载电子设备中。液冷式冷板以液体为冷却介质，冷板 材料常采用导热性能良好的铝材或铜材。冷板的大小及液道的形状，可根据空 间的大小、散热量及冷却源的压力来确定。根据冷板的工作环境，选择冰点、 沸点、比热、导热系数、汽化热、动力粘度等物性参数合适的的冷却剂。液冷 式冷板的热流密度可达到4 5 1 0 3 w c m 2 ，常用于大功率器件的散热。液冷式冷 板的散热热流密度大、散热效率高、热负载均匀、温度梯度小、结构紧凑，与 同积体的其它换热器相比，具有重量轻、换热面积大等优点，因而广泛用于机 载电子设备中。在设计冷板时，必须考虑泵的压力、冷却液的流量、冷却液的 温升、冷板表面温度及冷却剂的二次冷却等诸多因素，从而合理地制定结构方 案。 1 2 4 热电致冷冷却1 2 5 i 热电致冷是利用珀尔帖效应而发展起来的一种冷却方法，该冷却方式通 过改变电流方向致冷，从而改善元器件的工作温度，因此具有不需其他冷却系 统、结构紧凑规整的优点，其缺点是效率低、散热量小。热电致冷技术的温度 范围为- 2 0 。c 常温。当应用热电致冷技术作为电子设备的冷却措施时，设计过 程包括设置一个电子器件需要的冷面、提供一个比环境温度高的热表面以及设 置一个将热量从冷面输送至热面的制冷系统。由于单级热电致冷的制冷量较小， 为了获得更大的制冷量和更低的制冷温度，常采用多级温差电器件串联、并联 或者串并联组合的形式来实现电子器件冷却。 6 南京航空航天大学博士学位论文 1 2 5 相变冷却及热管冷却 由于物质发生相变时的潜热比显热大得很多，因此相变冷却多用于上述常 规冷却方法无法解决的高热流密度、高散热功率电子设备冷却问题，包括利用 某些固体的融化吸热、液体的蒸发冷却和流动沸腾冷却等。 最近二十年来，随着微细尺度加工技术的迅速发展及微细尺度器件的不断 涌现和应用，对现代科学技术产生了革命性的推动和革新并正在不断加速这种 过程。围绕时空尺度微细化所遇到的众多令人惊异的现象，科学界和工程界已 经投入了大量资源开展了较为广泛的研究。微细尺度传热就是时空尺度微细化 后传热学学科面临的严峻挑战和重大课题，近些年来的研究成果发现微尺度通 道内部的沸腾相变传热具有高热流密度传热的优点2 6 ，2 7 】：另一方面，电子器件微 细化后面临更为严峻的散热困难 2 8 】，因此近年来在基于微细尺度沸腾相变传热 来解决微细尺度电子器件的散热问题的研究方面已经掀起了强劲的热潮，并取 得了很多的成果，n a k a y a m a 等 2 9 】对到目前为止的微细尺度电子设备冷却技术进 行了很好的述评。 酬13 标准热管结构原理图【” 热管也是利用工质的相变来 实现高效电子冷却的技术。如图 1 3 所示的标准热管，其内部充有 一定量液态工质，当其工作时， 蒸发段的液体在电子设备生热的 作用下发生蒸发、沸腾等汽化相 变，蒸汽快速地流动并传递至冷 凝段，在冷凝段的冷却作用下， 热量被外界带走的同时蒸汽冷凝 成液体，液体在吸液芯毛细力作 用或其他的力驱动( 如重力等) 下实现回流，如此循环往复热量被不断导出。 由此可见，热管内部的整个过程没有涉及任何机械运动部件，是在没有外部动 力的情况下完成的，同时由于应用了相变机理，其传递的热量是相同尺寸金属 良导体换热器的几百倍。“，且其热响应速度快、受热部分和散热部分可以隔离、 构造简单、重量轻、做用寿命长、故障率低、可在无重力情况下使用、还具有 热二极管及热开关的特。i t ，因此热管技术在众多的领域均获得了成功应用( 图 1 4 ) 。从图1 4 可以看出，应用于电子设备散热冷却的热管技术只是众多热管工 程应用领域的一个分支，在以后的章节中将对应用于电子散热的热管技术尤其 是平板热管( 含热管冷板) 的工程应用状况、试验研究和理论研究现状进行详 7 新型电子散热热管冷板的眭能试验研究与数值模拟 细的述评。 图1 4 热管的各种用途弹 1 3 用于电子散热的热管技术述评 随着电子技术的不断发展，半导体器件电路集成化程度越来越高，组件的 功率更大而物理尺寸越来越小，热流密度也随之越来越高，因此如何有效地解 决电子元器件的散热冷却问题已经成为当前电子电器设备亟待解决的关键问题 之一。随着电子器件集成化、尺寸小型化的发展，电子设备所面临的散热条件 也日益严酷，由于利用相变高效散热的热管技术所具备的出色优点，到目前为 止应用热管技术来实现电子设备散热的应用实例很多，几乎不胜牧举，因此要 南京航空航天大学博士学位论文 对如此众多的报道进行全面的综述几乎是不可能的。众多的文献对不同时期用 于电子散热冷却的热管技术进行了很好的综述和分析。 文献3 3 1 综述了1 9 8 8 年以前国外热管在电子器件、装置和系统等三个层次热 控制中的应用，并对这一技术的应用以及发展进行了评价，论述了晶体管、晶 闸管、计算机模块、半导体结和电子设备的散热问题，并给出了不同研究者进 行理论研究和实验研究得到的热管温度特性、热阻和瞬态特性。1 9 9 0 年，m a t h u r l 3 4 _ 论述了采用热管换热器实现间接蒸发冷却的有效性和各种可能，t o t h 等p5 j 综述 了用于电子机柜冷却的热管换热器应用情况和诱人的前景。1 9 9 1 年，p e a r s o n 口6 】 对热虹吸管冷却技术进行了述评，详细分析了热虹吸管冷却作为高效而经济的 “自由冷却系统”的众多优点，m a t h u r 3 7 1 讨论了采用热管换热器实现直接蒸发 冷却的有效性和各种可能。1 9 9 3 年，n o r t h 等【3 8 1 对1 9 9 3 年以前应用于高热流密 度和高散热功率半导体芯片散热冷却的热管技术进行了综述，p e t e r s o n 等【3 9 】对旋 转热管的工作特性和传热极限研究进行了综述，展望了其应用于冷却的广泛前 景，m u r a s e 等 4 0 l 对冷却功率半导体设备的电绝缘热管的应用情况和优缺点进行 了分析。柔性热管与普通的常规热管相比，其可维修性和传热性能具有显著的 优势，特别适于小型电子器件、高功率计算机和通信系统的冷却，k i s h i m o t o 等 ”l j 于1 9 9 4 年对应用于高功率电子设备冷却的柔性热管工程应用现状和应用前景 进行了综述。1 9 9 6 年，p a l m 等【42 】回顾了采用沸腾和冷凝的电子器件间接冷却技 术，并着重对各种结构形式的热管和热虹吸管的性能极限进行了综合分析，给 出了其与浸没沸腾及直接冷却的优缺点对比，为设计并实施应用热管技术进行 电子设备的间接冷却提供了良好的依据。1 9 9 8 年，董东甫对热管在中国电力 电子冷却技术中的应用和发展进行了述评，n a m b a 等【4 4 】讨论了应用于笔记本计 算机冷却上的小型热管的传热特性并指出它们应用时具有良好的可靠性。1 9 9 9 年，s o u l e 等1 4 5 j 首先综述了热管的优异性能和到1 9 9 8 年为l e 时的工程应用现状， 指出尽管热管能够为从微处理器到几百马力驱动马达的相当广泛的商用电子产 品提供有效的冷却且大幅度地降低设备的总体封装尺寸，但是青到1 9 9 8 年为止 热管冷却技术仍然是应用于商用电子设备冷却的相对较新的技术，并指出了推 广应用必须克服的问题。2 0 0 1 年，k h r u s t a l e v 4 6 1 ) t 寸应用于电子冷却的环路热管 ( l o o ph e a tp i p e ，l h p ) 技术进行了分析，l h p 与常规热管相比，其传热能力 更强、能够在重力场的任何方位工作而性能几乎不受影响且可实现远距离传热， 但是由于其制造和装配成本昂贵，目前主要应用于航空领域，探讨了其他应用 的可能性和可行性。2 0 0 2 年，k h r u s t a l e v 4 7 1 讨论了对电子散热方案产生巨大影响 的环路热虹吸管的最近创新，论证了其应用于未来的电子系统包括高密度台式 新型电子散热热管冷板的性能试验研究与数值模拟 一一一 电脑、多处理器服务器和通讯电子柜等可行性。2 0 0 3 年，p a s t u k h o v l 4 8 1 综述了冷 却电子器件和c p u 的名义冷却功率范围为2 5 - 3 0 w 、传热距离为2 5 0 r a m 的小型 环路热管( m m h p ) 的工程应用情况，h o a n g 等【4 9 l 在述评l h p 特性研究的基础 上指出l h p 必须克服系统性能有待提高、成本高和制造困难等劣势方能成为商 用电子设备的冷却方案，姚寿广等 6 1 综述了二十世纪九十年代以来应用于电子及 电器设备散热冷却的常规热管技术，g r o l l 等峰i j 对脉动热管( p u l s a t i n g h e a tp i p e s ， p h p ) 的工程应用情况进行了综述和前景预测。2 0 0 4 年，范春利【5 2 j 从单根微型 热管、微型热管阵列以及微槽平板热管等三个方面通过对微小型热管的研究现 状以及最新进展进行了系统回顾，归纳并给出了微小型热管的传热极限，总结 了微小型热管研究一致公认的结论以及微小型热管研究所面临的困难和挑战， 表明微小型热管在微电子器件冷却等微小空间散热方面有着广阔的应用前景。 最近，w u t f i j u m n o n g 等f 53 回顾并分析了冷却笔记本受限空间内的高生热功率 c p u 的热管冷却方案，陈彦泽等p j 介绍了制冷热管( r h p ) 、热管发电引擎( t s 鼬 等新型热管技术的原理和近年来的研究发展情况。 分析上述文献，可以将应用于电子设备散热的热管技术可以分为三类：( 1 ) 间接冷却技术，热管直接与电子器件或设备接触，热管具有热沉的作用；( 2 ) 直接冷却技术，电子设备是热管的一个组成部分或电子设备直接与工作流体接 触：( 3 ) 热管处于系统层次，即热管用于冷却或控制设备机柜或系统的温度。 在热管直接冷却技术应用中f 6 3 4 3 7 5 5 1 5 6 】，电子设备被浸入不导电的流体当 中，电子器件释放的热量通过池态沸腾传给流体。由于蒸汽泡的形成，将会在 电子设备热控制当中出现三个严重问题口”：一是在高热流下会出现液体烧干的 情况；二是汽泡会产生动力并作用在芯片上，可能会导致电子器件失效：三是 蒸汽的存在可能降低不导电流体的电击穿电压。尽管目前已经出现期望克服这 些问题的两种新技术( 一是将电子设备制造成吸液芯结构的组成部分，确保新 鲜流体始终与热源相接触：另一种技术是对非常薄的流体液膜进行直接蒸发) ， 但是与热管阊接冷却技术相比，直接冷却难以维护和可靠性差的劣势非常明显， 因此工程应用相当有限。在所检索到的有关热管直接冷却技术应用的文献中， 在k r o m a n n 等1 5 u 提出的冷却系统中，在热管的上盖开有平行的通道，为流体通 过重力从冷凝段表面流回蒸发段吸液芯提供通道，芯片产生的热量被传给吸液 芯中的液体，当体积充液率在5 2 时能够获得最佳性能。n e l s o n 等( 5 8 1 对晶体管 芯片是热管吸液芯一部分的热管的性能进行了试验研究，研究了几种类型的吸 液芯结构( 包括玻璃纤维束和烧结粉末) ，然而由于芯片包含很多细小的导线， 将微电路与纤维束进行集成是相当困难的，试验结果表明接触点温度比常规冷 1 0 一 南京航空航天大学博士学位论文 却系统降低76 3 k 。 绝大多数的热管电子冷却应用属于间接冷却技术，热管的种类、型式、工 作机理和安装方式随实际工程应用的不同有非常大的差异。按照热管截面结构 形式和尺度的不同，可以大致将用于电子设备间接冷却的热管技术分为三类， 如表l2 所示。在实际应用中，不同几何形状的热管贴附在电子部件或p c b 的 方式和位置往往也是不同的，通过综合分析、比较并归纳出的间接热管冷却技 术的不同安装方式及其具有的优点和缺点对比见表1 3 。热管的其他分类方法和 分类情况可以参阅有关文献”。6 0 。 表1 2 用于电子设备间接冷却的热管分类 。撑芯兰 类型：带烧结粉末、丝网或 其他毛细吸液芯的热管 ( a ) 圆管热管： ( b ) ( c ) 平板热管； 【( b 。】鑫e k , i 壳e 熙- m - x j 一 ( d ) 集成的热管阵列； ( e ) 其他( 如重力热管等) 。 体惠：i 类型二：轴向槽道热管； ( a ) 圆管槽道热管； ( b ) ( c ) 平板槽道热管； ( d ) 集成的槽道热管阵列； ( e ) 整体槽道热管； c ：笺：】m r i r -( d 其他槽道或不同槽道的组 合。 锄糟心 类型三：微热管阵列 ( a ) 四角微热管阵列： 1l 二e ，、，、 ( b ) 三角微热管阵列。 ( c ) 其他截面热管 热戬体) 在热管间接冷却技术电，最简单的热管是圆管型热管，管材一一般为热的良 导体如铜或铝等，工作流体为水、甲醇或丙酮等，有关这类热管的性能研究和 工程研究的文献非常多，本文不再赘述。由于绝大多数电子器件采用薄板形状， 因此平板热管( 也称热管冷板) 使用得更为普遍。本文在后面的章节中将对平 板热管的试验研究、理论分析、数值模拟以及工程应用情况进行详细的文献综 堑型皇王墼垫垫笪堡堡竺丝! ! 堕墅堡壅要墼焦堕型一 述和分析。在某些情况下，当必须减少从冷凝段到电子器件的动力传递时，热 管将包含一个柔性的金属部件，这种热管被称为柔性热管。柔性热管的主要优 点是：( 1 ) 对振动不敏感；( 2 ) 柔性管固有的弹性能够补偿电子器件与热管蒸 发段接触安装时的对不准难题，从而降低器件与蒸发段之间的接触热阻：( 3 ) 散热功率越大，接触压力越高，因此接触热阻也减小，因此更加有利于高热流 密度、高冷却功率电子散热冷却问题。k i s h i m o t o 等【4 i 】对应用于高功率电子设备 冷却的柔性热管工程应用现状和应用前景进行了综述，文献 5 7 ，6 4 6 8 】报道了 其他的关于柔性热管的研究工作。 在热管间接冷却技术中，近些年来出现并迅速得到大量研究和文献报道的 小尺度、微细尺度热管技术伴随着微细尺度科学技术的发展正以令人惊异的速 度发展，颇值得关注。如前所述，随着空间尺度和时间尺度的微细化，许多原 来适用于宏观尺度的基于连续介质假设的科学理论将由于假设的条件不再成立 而变得不能适用。与传统意义上的热管定义不同，c o t t e r 给出的微热管( m i c r o h e a t p i p e s 或m i c r o s c a l eh e a tp i p e ) 定义的要点是【6 9 l ：微热管为无吸液芯热管，其毛细 抽吸力来自于非环形截面的作用。必须区分小热管( m i n i a t u r e h e a tp i p e ) 和微热 管( m i c r 0h e a tp i p e s 或m i c r o s c a l e h e a tp i p e ) ，小热管( m i n i a t u r eh e a tp i p e ) 仍属于 普通的宏观意义上的热管。具体而言，微热管是指水力直径在0 、o l m m 至i m m 之间的热管，其工质的回流是借助于特殊的由许多成锐角的尖角所围成的截面 的毛细作用来完成的。将微热管用于电子冷却时，有几种不同的结构形式：( 1 ) 独立的微热管；( 2 ) 微热管阵列；( 3 ) 微槽道或微通道热管。到目前为止，研 究者们已经对截面为三角和四角的微热管进行了较为细致的试验研究【7 0 - 7 4 1 ，既 研究了冷却单个芯片的单根微热管口0 。”1 ，也对在基板中加工形成的微热管阵列 进行了研究 7 5 - 8 1 1 ，对微槽道热管也开展了不少研究【8 2 _ 8 4 ，而对微热管阵列的理 论研究则着眼于预测它们的性能和工作极限与几何截面、热管密度、工作流体 和工况的关系 8 5 - 9 1 1 。 表1 3 用于间接电子冷却的热管技术的不同安装方式 l 安装方式图示优点缺点 适于局部冷却 没有冗余( 】) 替换原 、- l - l - i i l i 可获得高的冷却在器件内部有热沉而 籼r岫 直接安装热流需要附加的 垤丽i 土一一：li l l i i l l 直接与器件接触安装空间在器件f i = l | l t i 曲热沉更换便利 热管 1 2 堕壅堕窒塾鲞奎兰堡主堂堡堡壅 表1 3 ( 续) ( 2 ) 热管嵌 易于制造 冗余度低 在热沉内 热管 适于局部冷却 只适于低热 部 k i 梦 即使熟管失效也 流冷却问题 能实施冷却 一般受专利 易于安装 保护 卜 、 易于与现存热沉在器件内部 兼容需要附加的 器件 热沉更换便利安装空间 ( 3 ) 多重热热管 高冗余度 价格昂贵 管( m u l t i p l e，l - 可获得高冷却热在器件内部 h e a tp i p e )流需要附加的 重- i ； ： 可进行局部冷却安装空间 彬a 易于安装连接板会带 f 易于更换热沉来附加热阻 连接板器件 ( 4 ) 脉动热 只需要一根管子没有冗余 管或振荡易于更换热沉在器件内部 热管 可获得高冷却热需要附加的 连接弋咖，器件 流安装空问 连接扳会带 米附加热阻 一 冬 ( 5 ) 一只热 可获得高冷却热 没有冗余 管冷却多流 如果一个器 个电子器 盟几r m 、九盥 直接与器件表面 竹毁、则整 件 接触 个热管得移 平板热一 易于更换热沉 瞳弋 ，l 价格便宜 在器什内部 器件 需要附加的 宜裴空间 堑型皇王墼垫垫笪堡堡塑丝! ! 堕壁堑塞皇塑堕堡垫一 表1 3 ( 续) ( 6 ) 微热管 可获得高冷却热每个热管只 阵列作为 流有3 - 4 个角 童 p c b 基板 很高的冗余度