（工程热物理专业论文）高热流密度相变均热板传热特性的理论研究.pdf

浙江大学硕士学位论文 高热流密度相变均热板传热特性的理论研究 摘要 本文对电子器件散热技术和热管型电子器件散热器的研究现状进行了综 述，重点介绍了均热板热管的相关理论及其应用现状。在建立高热流密度相变 均热板传热模型的基础上，通过对能量方程的离散和边界条件的设定，应用 f l u e n t 计算软件，采用数值计算的方法对均热板底板的传热特性进行了分析。数 值计算结果表明，均热板底板各截面的温度分布规律符合理论分析的结论。 为了考察各种因素对相变均热板传热特性的影响，本文求解了三种结构尺寸 ( 长x 宽x 高：6 5 x 6 5 x 1 5 m m ，8 0 x 8 0 x 1 5 m m ，1 0 0 x 1 0 0 x 1 5 m m ) 的均热板在热源位 置、加热功率和饱和温度分别变化时底板上的温度场。根据数值计算的结果分析 各种工况对底板温度场的影响，得出最高温度t n 。和底板最大温差t 随输入热 量和饱和温度变化的关系曲线，热源位置对温度场分布的影响等结论，并提出了 元器件在底板上的优化布置方案，为均热板的实际应用和进一步的研究提供理论 参考。 本文还对发热元件与均热板各个传热环节的热阻进行了计算，对各热阻的大 小进行了分析比较，并针对热阻较大的环节提出了强化传热的措施，以达到更好 的换热效果。 【关键词】 相变均热板传热特性散热器电子器件散热 塑坚查兰堡主堂垡堡苎 n u m e r i c a l a n a l y s i s o ft h eh e a tt r a n s f e rc h a r a c t e ro fc o l d p l a t e o f t w o - p h a s e w i t h h i g h h e a tf l u x a b s t r a c t i nt h i sp a p e r t h ew a y su s e di nt h ee l e c t r o nd e v i c ef o rc o o l i n ga n d t h e p r e s e n tr e s e a r c h s i t u a t i o n so fh e a tp i p ea r es u m m a r i z e d r e l a t e d t h e o r i e sa n dp r e s e n t a p p l i c a t i o n s t a t u so ft w o p h a s ec o l dp l a t ea r e e m p h a t i c a l l yi n t r o d u c e d b a s e do n t h eh e a tt r a n s f e rm o d e l so fc o l dp l a t e w i t h h i g hh e a tf l u x ，t h ee n e r g ye q u a t i o n i s d i s p e r s e d a n db o u n d a r y c o n d i t i o n si ss e t ，t h e nh e a tt r a n s f e rc h a r a c t e ro fb o t t o mo fc o l dp l a t eh a s b e e na n a l y z e db yf l u e n to fc f ds o f t w a r e t h en u m e r i c a ls o l u t i o ns h o w s t h a tt e m p e r a t u r ed i s t r i b u t i o nr u l eo ne v e r yc r o s s s e c t i o no fc o l dp l a t e a g r e ew i t hc o n c l u s i o n so f t h e o r ya n a l y s i s i no r d e rt oi n v e s t i g a t et h ee f f e c t so fa l lk i n d sf a c t o r so nh e a tt r a n s f e r c h a r a c t e ro fc o l dp l a t e ，t h et e m p e r a t u r ed i s t r i b u t i o no fb o r o m p l a t e st h a t h a v et h r e ed i f f e r e n ts t r u c t u r e sa n ds i z e sa r ec o m p u t e dw h e nv a r i a b l e st h a t f i r eh e a t p o w e r ，s a t u r a t i o nt e m p e r a t u r e a n dh e a t e r p o s i t i o n sv a r y r e s p e c t i v e l y r e l a t i o n b e t w e e n t e m p e r a t u r e d i s t r i b u t i o na n do p e r a t i n g m o d e sc a nb ea n a l y z e df r o mt h et e m p e r a t u r ed i s t r i b u t i o n ，t h ef o l l o w i n g c o n c l u s i o n sa r eo b t a l n e d ：f i g u r e so fm a x i m u m t e m p e r a t u r ea n d m a x i m u m t e m p e r a t u r ed i f f e r e n c eo n t h eb o t t o m p l a t ew i t h t h ec h a n g eo fh e a tp o w e r o rs a t u r a t i o nt e m p e r a t u r e ，i n f l u e n c eo fh e a t e rp o s i t i o n su p o nd i s t r i b u t i o n o f t e m p e r a t u r ed i s t r i b u t i o na n dam o r eo p t i m u ms e l e c t i o na b o u tt h e p o s i t i o no fh e a t e r s t h e s ec o n c l u s i o n so f f e rs o m er e f e r e n c e si nf u r t h e r t h e o r yr e s e a r c ha n dp r a c t i c a la p p l i c a t i o no f c o l d p l a t e t h e r m a lr e s i s t a n c eo fe v e r yh e a tt r a n s f e rs e g m e n t sb e t w e e nh e a t e r s a n dc o l d p l a t e h a sb e e n c o m p u t e d a n de v e r yt h e r m a l r e s i s t a n c ei s a n a l y z e da n dc o m p a r e d i nn u m e r i cv a l u e ，t h e nm e a s u r e so fc o n s o l i d a t i o n h e a tn j a n s f e ri ns e g m e n to fb i gt h e r m a lr e s i s t a n c ea r ep r e s e n t e df o ra b e t t e rh e a tt r a n s f e re f f e c t s k e y w o r d s ： c o l d p l a t eo f t w o - p h a s e h e a tt r a n s f e rc h a r a c t e r sh e a ts i n k c o o l i n g o fe l e c t r o nd e v i c e 学号 塑f ! 墨f 业 独创性声明 y 6 8 0 1 8 4 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a 据我所知，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，也不包含为获得逝望盘堂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已在论文中作了明确的说 明并表示谢意。 学位论文作者签名：t 苷、蛰展 签字日期： 跏甲年3 月6 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解逝姿盘茔有关保留、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 权迸望盘茔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：f 枣慧雁 导师签名 稍，志壁 签字日期：2 沪午年? 月日签字日期：歹p 矿l 怍；月石日 学位论文作者毕业后去向 工作单位： 通讯地址： 电话 邮编 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论 第一节研究背景和意义 随着电路集成化的程度越来越高，电子器件的高频、高速以及集成电路的密 度和体积趋于微小化使得单位容积的电子元件发热量和单个芯片的能耗加大，设 备紧凑化结构的设计又使得散热更加困难，因而迫切需要解决高效散热技术难题 “j 。这一问题对于便携式电脑c p u 、集成化电子元件，高电压大功率电子器件以 及军事装备上的电子元件更为突出。以逝墅坐刚推出的p 43 0 6 g 的c p u 为例， 在约1 1 9 1 2 1 毫米平方的面积上集成了5 5 0 0 万晶体管，其最大发热功率约7 0 w 。 一般较先进的集成电路，其热流密度可高达1 0 5 w m 2 以上。对于电子元件，其正 常的工作温度范围一般为一5 + 6 5 ，超过这个范围，元件的性能将显著下降， 不能稳定工作，这势必影响整个系统运行的可靠性。研究和实验应用表明，单个 半导体元件的温度每升高1 0 。c ，系统的可靠性将降低5 0 【2 】。因此，从某种意义 上说，微小空间高热通量的散热技术已成为制约信息、电子以及国防军事技术发 展的重要因素之一。 各种大功率电子器件容量的增大，以及电子器件或装置的体积越来越小，使 得电子器件需散掉的热流密度迅速增大，散热装置本身必须完成的散热要求也越 来越高。对c p u 而言，未来集成的晶体管密度还会日益成倍增长，即单位面积 内集成的晶体管数量成倍增长，会使总的能量消耗以及因此而转换的热量也是水 涨船高。c p u 消耗的电能变换为热能的形式，不仅仅是功率值的增长，而且它 还是集中在一个更小的尺寸空问，将给散热带来空前的难度，若不能有效解决散 热问题，高密度集成技术就不能被应用，这将阻碍c p u 的发展。 1 9 8 0 1 9 9 9 年之间，电子器件的散热热流密度增加了1 2 倍。以微电子芯 片为例，目前一般已达到6 0 9 0w c m 2 ，最高可达2 0 0w c m 2 。对于集成度高达 几百万晶体管的c p u ，其发热量非常大，普通的c p u 表面温度都可以达到5 0 - - - 8 0 ，c p u 内部则会高达8 0 。c 以上。而传统的依靠单相流体的对流换热方法和强 制风冷方法只能用于外表面热流密度不超过1 0w c m 2 的电子器件，因此，这种 方法对于高发热量的电子器件的散热已不再可行。必须研究开发新的散热方法以 浙江大学硕士学位论文 满足高热流密度散热的要求。由于热管式散热技术具有高传热性能，优良的等温 性，无运动部件，无额外耗功，结构简单，易于安装，设计灵活等优点，可以满 足电子电器设备对散热装置紧凑、可靠、高教热效率、不需维修等要求，因此热 管技术已在电气设备散热、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昭1 。 第二节电子器件散热技术的现状 电子元件的内部或外表面的温度一般不得超过1 5 0 。c ，有些不得超过1 2 5 ( 3 。 而环境温度一般为2 0 。c 4 0 c ，所以电子元件的散热主要靠传导和对流。目前 最广泛采用的方法是使用常规的导热性能良好的金属散热器与空气的强迫对流 或自然对流冷却相结合。 一般来说，电子元件的热控制有一个基本的目的，即要使元件温度保持在一 个相对稳定的范围，即等于或小于元件生产厂规定的最大温度。而这一温度值是 以元件的可靠性为依据。但是对于高热流密度的发热电子器件，在其散热量较大 的情况下，常规的对流和导热方法不能满足这种散热要求。只有采用强迫单相液 体或两相流技术才能保证芯片的温度控制在所要求的范围内。因此需要散热性能 更好的散热器。热管型散热器就是较为优秀的一种。因为热管技术的应用就是两 相流技术实现散热和热控制的重要方法之一，这技术已广泛用于航空电子冷 却。 目前较为典型的实例为，计算机中的c p u 散热问题，随着计算机运转速度 的加快，c p u 等芯片的性能不断增强，尺寸越来越小，其发热过大的问题越来 越突出，若得不到及时有效的散热，芯片将不能稳定工作，甚至由于温度过高而 损坏，目前较流行的散热方法有f 4 】：风冷，水冷散热，半导体制冷和热管技术等。 下面简单介绍一下这几种方法： 1 、风冷 风冷式散热法是平时最常见的散热方法，整套散热装置由一个风扇和一个 散热片构成。该散热方式主要的优点是：结构简单，价格低廉( 比较其它散热方 法) ，安全可靠，技术成熟。而其缺点则是：不能将温度降至室温以下：且因风 浙江大学硕士学位论文 扇的转动而存在噪音；风扇寿命有时问限制。它的工作原理( 如图1 1 ) ：通过 散热片将热传导出来，再通过风扇转动，加强空气流动，通过强制对流的方式将 散热片上的热量传至周围环境，辐射散热在此作用不是很大。传统的常规风冷散 热器方式，受散热片材料，散热片形状、表面积和散热风扇等的影响。但即使使 用铜等导热性能良好的材料，这种散热方式已逐渐不能满足现代高热流密度的散 热要求了。随着散热片面积的增大，它需要的风流量也在出现增长，但这需要更 大更高速的风扇。同时高速风扇优越的散热性能是与其烦人的噪音如影随形的。 当铝制散热片的长度从5 0 m m 增长到l o o m m 的时候，它的重量几乎加倍，然而 它的性能只有1 6 的提升。如果使用铜制散热片的话，重量的增加将更加可观， 产品成本也呈现级数的上升，因为铜是非常昂贵的。 图1 一l 风冷式散热的工作原理 2 、水冷散热系统 目前应用的水冷系统还是有些昂贵与复杂，该系统是由散热器，水管及一 个水泵组成。散热器有一个进水口及出水口。散热器内部有多条水道，这样可以 充分发挥水冷的优势，能带走更多的热量。将散热器的进水口接上水管然后其中 一条水管接到水泵上，再把水泵放进一个盛满水的桶里通电试验确信连接正确没 有漏水的情况后，再把散热器底部涂上导热硅脂后相应的卡具卡到底座即可开始 工作了。 水冷系统的优点是：散热效果比风冷系统好，有关资料显示，它与涡轮风 浙江大学硕士学位论文 扇散热相比温度还要低最少i o 。c 。同时因水冷系统没有风扇，所以不会产生振 动，c p u 受磨损的程度会小的多，噪声也会相对较小。因此是一种十分有效的 散热方式，但它有致命的缺点是需要水源而引起系统的复杂性及由此而引起的安 全隐患；另外价格也是一个重要因素。而且水的问题也不好解决，即使在密闭状 态下，纯净水也会在一个月左右时间变质；如果采用自来水，那么只要一个星期 水质就改变了。 3 、半导体制冷 半导体制冷的原理及结构如图1 2 和图1 3 所示，工作特点是一面制冷 一面发热，制冷端紧贴c p u 表面吸收热量，然后传到热端，再从热端将热量散 走。半导体制冷端冷块的冷端不可以直接解触c p u 表面，中间要放置辅助散热 片，因为半导体制冷块的冷端一般都要比c p u 的核心大不少，需要用辅助散热 片把热从c p u 的核心传导到半导体制冷块的冷端，有利于充分利用半导体制冷 块。半导体制冷法主要的优点是：可以把温度降至室温以下；精确温控，使用闭 环温控电路，精度可达0 1 ；高可靠性制冷组件为固体器件，无运动部件， 因此失效率低。寿命大于二十万小时；工作时无声与机械制冷系统不一样工作时 不产生噪音。 暇 热 金x 图1 2 半导体制冷原理图 4 浙江大学硕士学位论文 n 溅和p 烈 缘陶瓷片 属导体 重流电源 图l 一3 半导体制冷结构图 但使用半导体制冷器必须注意以下几点： a 、熟面温度不能超过6 0 。c ，否则要损坏，所以，它本身仍有一个散热问题 需解决，否则反而增加了工作温度； b 、在c p u 所处空间中，绝对不允许结露情况发生，所以必须控制其冷面 的工作温度。 c 、由于制冷功率太需采用5 v 电压的电源或外界稳压电源。 所以，应用半导体制冷器有一定的不安全因素与副作用。 4 、热管冷却技术 这是一种较先进的散热技术，热管依靠自身内部工作介质相变实现传热， 具有高导热性、优良等温性、体积小等优点5 j 【6 】。它比良好的金属导体的导热系 数大1 0 3 1 0 4 倍m 。其工作原理如图1 4 示： 罔l 4 热管冷却原埋 浙江大学硕士学位论文 图l 一5 和图l 一6 为热管散热器产品：因热管可以依靠内部工质的相变达到 小温差下大热流密度的散热，具有优良的等温性，从而可均匀的散发热量到散热 器的各个散热翅片上，极大的提高了散热片的散热性能。 图1 5 图1 6 相比较于传统散热器，热管散热器可称为相变换热器。其结构形式可根据不 同热流密度、空间和安装位置的需要分为分离式、毛细泵回路式、微型和平板式 热管。目前，国内外都非常重视这方面的研究工作，且不断有新产品出现。 热管散热技术具有散热效果好，噪音低，使用寿命长等优点，是未来散热 器的发展趋势。但因其较高的价格使其普遍应用受到了限制，这是热管目前亟待 解决的问题。随着技术水平的提高，热管必将成为未来主流散热器产品。 第三节热管散热器的应用及类型 热管散热器是运用热管进行换热的散热器。是一种与传统的铝材风冷散热器 和铜材水冷散热器结构、原理不同的新型散热器。热管可根据元器件的位置灵 活的布置结构，因此可应用于分离器件间，并仍能使其存在的很小温度梯度及保 持良好的等温环境。在不同热流密度下，通过调节热管的加热段和冷凝段的结构 尺寸，进而调整各段的热流密度，可以把集中的热流进行分散处理，减小散热热 流；或者把分散的热流集中进行使用，这样有效地提高了换热效果。由于热管是 借助于饱和工质的相变换热过程一汽化与凝结来完成换热的，传热量很大，即具 有高传热能力和良好的等温性，这可使冷凝端的翅片基温升高，增加翅片与冷媒 体之间的温差，所以在相同的散热条件下，会减小翅片总量，因此热管型散热器 6 浙江大学硕十学位论文 比固体散热器具有更小的体积和更轻的重量。 虽然热管散热器相对传统散热器来说结构比较复杂，而且工艺要求比较高， 成本较高。但对于高热流密度的发热器件，在综合考虑了优越性和制造成本各种 因素后，使用热管散热器会更为合理。 现在热管由于其独特的优越性已被广泛的应用于多种领域： 1 、空间应用：早在1 9 6 7 年热管首次空间试验成功，之后美国用热管进行卫 星的温度控制，使用效果良好。 2 、余热回收：热管换热器多用于工业及空调低温的余热回收，在美国q d o t 与休斯飞机公司都有这类换热器的产品系列。 3 、电力电子元器件散热： 热管散热器主要有强迫风冷和自然对流冷却两 种方式，由于其在结构形状和尺寸上有很大的灵活性，所以有多种类型： ( 1 ) 风冷平板型热管散热器； ( 2 ) i g b t 、桥式整流器等模块用热管散热器； ( 3 ) 螺栓型半导体器件用热管散热器； ( 4 ) 自冷平板型热管散热器； ( 5 ) 各种组合式热管散热器 ( 6 ) 整成电路、半导体致冷片、电阻、固态继电器等各类电子元件用的热 管散热器。【8 】 4 、电脑芯片的散热： 热管技术在电脑内芯片的散热冷却具有多种冷却结构。例如笔记本电脑c p u 的冷却方式有：( 1 ) 热管与散热平板组合，热管传递热量到铝制的散热平板上， 平板面积相对较大，整个组合放置在笔记本电脑的键盘下或者是底部平板之上 ( 如图1 - - 7 ) ，这种方法已经进入实践应用在许多笔记本电脑中。( 2 ) 热管绞接 系统，该系统由两个热管和一个绞接联结器组成，第一个热管安装成与热源相接 触，通过绞接联结器传递热量到第二个热管，进而传递热量到铝制散热平板上， 由于绞接联结器的存在，既能使热量由第一传递到第二个热管，又能允许第二个 热管在笔记本打开与关闭时旋转( 如图l 一8 ) 。( 3 ) 混合系统，该系统由热管组 合体、铝制板形散热器和风扇组成，热管的一端被压力装配进入铝板块中，热管 的另一端通过铆钉机械附着于散热器基部( 如图1 9 ) 。【1 0 】 浙江大学硕士学位论文 i ： $ ) 热警擞漱崔羹纛下( b 然繁豢藏灌巍撬上 图1 - - 7 笔记本电脑c p i i 散热。1 图1 8 铰链式散热图1 - - 9 混和系统强制散热 在上述的热管散热器的各种应用中，我们注意到以热管型相变均热板进行 散热的方式日益受到重视，因此本文着重对此作进一步的理论研究。 第四节均热板的改进和有关的理论研究 一、均热板 均热板( c o l dp l a t e ) 是高发热电子组件在空气冷却不能达到散热要求时所 使用的散热器。在早期它为一种液体冷却均热板。其基本构造是在金属基架内加 工流道或埋设一系列金属管( 如图l 一1 0 和图1 一l l 所示) ，管路内循环的液体 不断带走金属基架的热量使其保持较均匀的温度。均热板通常紧贴电路板，电子 组件也可直接固定在金属基架上，这对电子器件的散热十分有利。这种均热板结 构简单、加工方便，其散热效果明显优于空气冷却。但它的体积较大。冷却液体 循环需要液体泵、电源和水源，通常应用于较大型的固定电子设备。由于冷却液 浙江大学硕士学位论文 体依靠温差带走热量( 显热) ，在高热流密度情况下沿液体流动方向有较大温差， 使液体冷却均热板的均热程度大大降低。 图1 1 0 均热板的构造 图1 1 1 冷却i g b t s 的均热板 随着散热要求的提高、应用范围的不断扩大及先进技术的采用，均热板类型 不断改进，出现了相变均热板和微热管均热板： 1 、相变均热板 金属基架内埋设热管或加工蒸发腔( v a p o rc h a m b e r ) 的均热板称为相变均 浙江大学硕士学位论文 热板。由于利用相变传热，可使工质的质量流量大大降低。均热板的厚度和埋设 的热管通常尺寸较小，这些相变均热板也可称为小型热管( m i n i a t u r eh e a tp i p e ) 均热板，均热板的减薄有利于电子设备线路的紧凑。根据应用对象的不同，相变 化均热板还有其它各种不同的结构形式。如美国休斯飞机公司研制的热管式电路 板可以安装5 0 只双列直插组件，试验证明热管式电路板不仅有很好的传热效果 而且能满足飞机的振动和冲击要求；日本f u j l k u r a 公司开发了带蒸发腔( v a p o r c h a m b e r ) 基座的折叠式肋片散热器；s e x t a n t a v i o n i q u e 和n o k i a 等公司 资助德国、法国研究机构则对平板热管( f l a t eh e a t p i p e ) 作了许多基础研究。 2 、微热管( m i c r oh e a tp i p e ) 均热板 微热管均热板能插入电子芯片与电路板之间并远距离传热，有着广泛的应用 前景。微热管与常规热管不同，尺寸很小，它的毛细力不是由吸液芯产生，而是 由蒸汽通道周边的液缝的弯月面提供的，因此管内无吸液芯，具有微复杂结构， 蒸汽通道截面有各种形状，常加工成三角形截面槽道和四边形截面槽道以适应传 输高热流密度的要求，其水力直径通常小于1 0 0 0pm 。微热管均热板具有很好的 传热性能，在半导体芯片、集成电路板、笔记本电脑c p u 的散热方面有很重要的 应用“，但对其热传输能力的研究还不够全面。 二、相关的理论研究及应用 从外型结构上看均热扳与平板热管相同，不同的是：平板热管的一端为蒸发 段，另一端为冷却段；而均热板则是一面为蒸发面，相对面( 或包含其余各侧面) 为冷却面。因此从板型散热器的方面来看，平板热管的理论可以为均热板提供一 定的参考。 在目前，相变化平板热管应用研究主要集中在它的性能实验与数值模拟分析 方面 1 2 - 1 5 】。y w a n g 和k v a f a i 等人针对一种平板热管及变化结构进行了详细的 理论分析和试验研究，通过试验表明它能适应1 0 , - - 1 5 0 w c m 2 高热流密度的工况， 进一步通过数值模拟建立平板热管的启动和关闭时的数学模型，分析求解了平板 热管的启动和关闭的瞬态温度场分布性能，发现输入热流密度、壁面和毛细芯厚 度和热输入形式是影响热管稳定工作时间的主要因素。蒋金柱、庄骏【1 6 】设计了一 种高导平板热管，采用加强筋增强平板的承压能力，并通过实验发现接触传热温 差是传热温差的主要部分。牟其峥【l7 】等针对矩形流动通道的平板热管进行了传热 性能的试验研究，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，该计算结果通过了实验验证【1 8 。y c a o 和m g a o l l 9 料对一种铜一水轴向 0 浙江大学硕士学位论文 开槽的平板热管进行实验研究和数值分析，该热管在不同的输入热量、不同的冷 却温度、改变定位角的条件下进行实验，测试出其有效导热性和最大传热率，发 现毛细作用的限制是影响微热管传热限的主要因素。r p o n n a p p a n f 2 0 】介绍了两种 新型毛细芯，并对其平板热管进行实验研究，根据实验结论发现这两种毛细结构 容易安装，适用于平板热管，可代替精细凹槽加工过程，具有褶皱薄片的热管的 工作性能高于褶皱网板的热管，以及两种热管在9 0 。c 的运行温度时水平放置的 模型在蒸发和凝气部分具有相等的传热性能。胡幼明和王惠龄【2 1 。2 2 1 等研究平板热 管在蒸发段的发热情况，以及平板热管吸液芯层对沸腾情况的影响。通过实验， 得到了金属网格表面沸腾与光壁面表面沸腾的实验比较结果，以及金属网格填料 的目数，丝网数等对丝网表面沸腾传热的影响。在文献 2 3 】中研究用于电子器件 高效冷却的小型平板热管( 简称为热板) 的传热机理，提出热板设计方案；采用 粉末冶金的方法在热板蒸发端烧结毛细多空层，强化了工质的沸腾换热过程；对 热板进行了传热稳态和瞬态性能测试，分析工质充装量、毛细多孔层厚度、热板 工作方式等因素对热板传热，性能的影响。 在均热板方面，文献 2 4 利用数值计算方法对均热平板有效工作表面的温度 进行了传热计算，得到了均热平板有效工作表面内的最大温差随平板工作温度 度、平板厚度方向上的圆孔直径和孔问距等影响因素的变化关系。 第五节本文的研究目的和任务 虽然上述已有不少的相关理论研究和实验结论，但是对于均热板的研究不够 深入。在本文中着重对相变均热板的换热温度场进行理论研究。 本课题采用数值模拟的方法，进行一些合理的假设和简化从而建立相变均热 板的数学物理模型，列出相关的能量方程和边界条件，进行区域离散，选择合适 的计算方法，进行数值求解。在课题中利用了c f d 软件和自编的边界条件程序 对相变均热板进行基础理论的研究。 理论研究工作的主要内容包括以下几个方面： 1 、建立均热板的理论模型； 2 、求解并分析热源置于均热板底板中心位置时，均热板结构尺寸、加热功 浙江大学硕士学位论文 率和饱和温度改变对底板温度场分布和板内各温度的影响； 3 、加热热源在底板上位置改变以及加热功率和饱和温度变化条件下对传热 性能和底板温度场分布的影响。 浙江大学硕士学位论文 第二章均热板传热过程的理论分析 第一节概述 本章主要是通过对高热流密度相变均热板建立理论模型，以便对其进行数值 模拟，用来分析当高热流密度相变均热板散热器与热源结合位置发生变化、输入 热量改变时，元器件表面温度以及散热器板内温度场所发生的影响。并通过建立 这一理论模型实现对电子器件表面温度以及散热器板内温度场的求解。 在本模型的理论计算中，我们将模拟元器件发热的热源的结构设计为边长为 3 0 8 x 3 0 8 m m ，厚度为5 m m 的长方体。在与均热板蒸发段相接触的表面上涂有 硅胶，从而达到减少接触热阻的目的。 第二节均热板结构及布置方式 本文中均热板工作范围在4 0 c 一1 0 0 之间，因此均热板工质选择水，壳体 材料选用紫铜【2 5 】。图( 2 - - 1 ) 所示是相变均热板传热结构剖面示意图，均热板的 敌热片 水蒸汽 i 一一一l 。 一 ，r | ：皇i ；o 囊l jo ：1 i - e o j o i - 7 ：i ：i ：l i ：o i ：囊- j - ：i - ：| l 马热板i 主三芷芷茚 翟三盘鉴7 f 芷血三芷一贮型j 芷芷，一上三玉! 芷：l ( u l 丛一l g、ii 5 3 i 、 一l s 。一 j 板工质 图2 一l 均热板结构示意图( 图中单位为m m ) 底板下表面与热源相接；底板与主板间夹层内的流体为空气；蒸发腔内的工质是 水，进行饱和沸腾换热：散热片的材质可为铝或铜，其散热面积及散热片的布置 形式根据散热量和环境的要求而改变。 浙江大学碗士学位论文 在均热板的传热换热过程中，相比较于其它各面的换热，下底板的换热情况 最为复杂，它既有与热源相接的面积上的输入热流，又有底板上表面的饱和沸腾 换热，同时在板内有纵向和横向的导热，因此本文着重研究下底板的传热过程。 在本文中模拟了三种均热板底板，其结构尺寸分别为：6 5 x 6 5 x 1 5 m m ， 8 0 x 8 0 x 1 5 m m ，l o o x l o o x l 5 m m 。从图2 一l 中可以看出底板很薄f 1 5 m m ) ，四个 侧壁面积很小，因侧壁面与外界进行自然对流换热，换热量很小，相对总传热量 可忽略，所以本文中底板侧面四壁简化为绝热边界条件。相对于底板上下表面积， 均热板侧面四壁与底板接触面积很小，通过该接触面积的传热量为均热板上下表 面的导热，为简化数学模型，该接触面积的传热按饱和沸腾换热计算。 在本文中建立了三种均热板与热源接触模型：热源接触底板中心；热源位于 底板偏移中心处：两个热源接触底板。三种均热板模型分别如下图所示： 图2 2 热源中心接触底板 中心示意图 3 图2 4 热源中心对称分饰在底板 对角线上示意图 图2 3 热源中心偏离底板 中心示意图 图2 1 中，热源中心对应 于底板下表面中心； 图2 2 中，相对于底板下表 面中心1 ( o ，0 ) ，热源中心位于2 ( 1 0 m m ，1 0 m m ) 处； 图2 3 中，相对于底板下表 面中心1 ( 0 ，0 ) ，热源中心分别 位于2 ( 1 5 m m ，1 5 m m ) 及3 ( 一1 5 m m ， 一1 5 m m ) 处。 浙江大学硕士学位论文 第三节均热板底板传热模型的理论分析 在底板的传热模型计算中，本文作了如下假设： l 、底板的材质是均匀的； 2 、在一个工况下，底板上表面加热的流体是常物性； 3 、因底板与主板间距很小，可假定中间的空气夹层不流动，即无对流换热， 只有上下间导热： 4 、热源表面散热热流密度是常数； 5 、主板的温度恒定不变。 通过以上假设，在数值计算中应用的方程及边界条件如下： 一、能量方程 在稳定情况下，热源输入热量等于底板上表面沸腾换热带走的热量以及底板 下表面通过空气夹层导热带走热量，即 q 入2 巩+ g 下 式中：q 入输入热量； q 上上表面沸腾换热带走的热量： q l f 下表面通过空气夹层导热带走热量。 因本文采用f l u e n t 软件计算，所以在固体区域中的传热，使用的能量方程形 式如下： - - 晏( p h ) + v ( v p h ) 2 v ( k v v ) + 瓯 ( 2 一1 ) 其中： p 密度： k 导热率； t 温度； 瓯体积热源； 浙江大学硕士学位论文 而一显焓，j c ，d t 。 方程2 1 左边第二项表示固体由于旋转或平移而引起的对流传热。速度；由 用户对固体区域的运动属性的设定而计算得到。方程2 一l 右边两项分别表示传 导引起的热流以及固体内部的体积热源。 在本文研究的底板模型中，底板静止，既；= 0 ，而且底板内部无体积热源， 因此，公式( 2 一1 ) 可简化为：言( 础) 。v ( k v r ) 。 二、边界条件： 1 、沸腾换热系数口 在文献【2 6 】中指出，当加热壁面沉浸在具有自由表面的液体中进行的沸腾换 热，称为大容器沸腾。此时产生的汽泡能自由浮生，穿过液体自由表面进入容器 空间。当液体主体温度达到饱和温度t 。，壁温t w 高于饱和温度所发生的沸腾称为 饱和沸腾，饱和沸腾壁面过热度a t - - t w t s 。 在本模型中，加热壁面( 底板) 沉浸在具有自由表面的液体中，进行饱和沸 腾换热。根据 2 7 , 2 8 推荐的实验关联式，可采用沸腾换热关系式为： 一州鼍掣严( 高) 3 t 2 ( 2 - - 2 ) c 。1 饱和液体的比定压热容，j ( k g k ) c w l 取决于加热表面一液体组合情况的经验常数； r 汽化潜热，j k g g 重力加速度，m s 2 ； p r i 饱和液体的普朗特数，v r i = 生旦； 卜_ 壁面过热度，o 玎厂饱和液体的动力粘度，k g ( m s ) ； p l 、a 相应于饱和液体和饱和蒸汽的密度，k g m 3 ； y 液体蒸汽界面的表面张力，n m ； 浙江大学硕士学位论文 s 一经验指数，对于水s = l ，对于其他液体s = 1 7 。 2 、导热热流密度 底板下表面可简化为通过空气层的导热问题。 导热热流密度为： q ：掣 ( 2 3 ) 0 t ，底板下表面温度，： 主板温度，； 占空气层厚度，m ； 允空气导热系数，w ( m ) 。 第四节均热板底面温度分布对发热元件 表面温度的影响 在底板传热模型中，发热元件与均热板底面接触，底面的温度分布会直接 影响到发热元件表面的温度，因此保持元器件的稳定运行，可通过控制均热板 底面温度来实现。为了解影响底面温度的因素，本文采用传热热阻进行分析。 在底板的传热过程中，通过各个环节的热流量都相同，所以采用热阻串联 模型。由于均热板底板上下表面内的各点温度非等值，计算热阻非常复杂。 为简化计算，上下表面采用平均温度，所得热阻为当量热阻，仅用于传热分析。 从热量输入到沸腾蒸发，整个过程的传热热阻主要是： ( 1 ) 均热板和发热元件之间的接触热阻r ，； ( 2 ) 均热板底板导热热阻r ：； ( 3 ) 均热板蒸发腔内汽一液界面相变换热热阻r 。 这3 个热阻的串联构成了从发热元件到均热板底板上表面沸腾换热的总传热 热阻，由于在整个传热过程中，输入热流是已知的，分别求出上述各个热阻就 可以得到各个环节的温降，从而可分析各个热阻在整个传热过程中的影响作 用，进一步提出强化换热措施。 浙江人学硕士学位论文 1 、均热板和发热元件之间的接触热阻r 。 在均热板底面与发热元件之间尽管涂有一层导热性能良好的硅胶，但是接 触热阻的存在仍然是不可避免的，而且这个热阻在整个传热环节中所占的比重 还是很大的( 从后面的计算结果可以得出) ，因此如果能够很好的解决这一问 题，将这一热阻的数值尽量的减小，将会对减小发热元件的温度，保证元器件 的稳定运行起着重要的作用。 2 、均热扳底板导热热阻r ： 这部分可简化为一个平板导热问题，由传热学的知识得出底板的当量导 热热阻b 的表达式如下： r ，：尘量( 2 4 ) g 式中： 一一底板下表面平均温度，； ，底板上表面平均温度，； g 通过底板的热流密度，w m 2 。 3 、均热板内汽一液界面相变换热热阻r ， 蒸发段汽一液界面相变换热热阻r 。的表达式为： 驴古( 2 - - 5 ) 式中：e 蒸发段的换热面积，历2 ； 口，沸腾换热系数，w ( m 2 ) 。 浙江大学硕士学位论文 第三章均热板数值计算模型的建立 上一章确定了高热流密度相变均热板散热器传热特性的理论模型，并给出 了相关的能量方程和边界条件。在本章中将运用计算流体力学( c f d ) 商用软件 f l u e n t ( 版本6 o ) 对均热板散热器底板蒸发部分进行数值模拟计算。在本章中应 用c f d 软件f l u e m 对均热板建立数值计算模型，网格的生成则采用f l u e n t 公司 的产品g a r n b r 来完成。 第一节f l u e n t 软件简介 f l u e m 是用c 语言编写的，用于模拟具有复杂外形的流体流动以及热传导的 计算机程序，具有很大的灵活性与计算能力。它本身提供了完整的网格划分软件 g a m b i t ，在g a m n t 中主要是生成模型的网格以及定义一些必要的边界面及截面， 至于具体的边界条件则是通过f l u e m 来设定完成的。和传统的多块结构网格相 比，它可以模拟具有更为复杂几何结构的流场，并且具有使网格适应流场的特点。 f l u e n t 能够使用体网格，块结构网格，例如二维三角形或四边形网格、三维四面 体六面体金字塔形网格来解决具有复杂外形的流动。甚至可以用混和型非结构网 格，可根据解的具体情况对网格进行修改。作为一个通用的解算器，f t u e m 本身 提供多种离散相模型，可以模拟各种离散相的问题，它适用于对流、辐射、传导 以及低速不可压流动、可压缩性流动等具有各种复杂流场的问题。在计算的过程 中，采用了多种求解方法和多重网格的加速收敛技术，因而可以得到最佳的收敛 精度；其灵活的非结构化网格和基于求解精度的自适应网格以及成熟的物理模 型，使得它在层流、湍流、传热、化学反应、多相流等领域取得了显著成效。 第二节网格的生成和边界条件的设定 1 、网格的生成： 浙江大学硕士学位论文 图3 1 为运用g a m b i t 生成的均热板底板网格图形： 图3 1 运用g a m b i t 生成的网格图形 坐标原点取在底板的中心位置，图中均热板底板的尺寸规格( 长宽) ：6 5 m m 6 5 m m ，壁厚1 5 m m 。 为了计算的方便和提高精度，采用了三角形和四边形混合的混合网格的模 型，并且在均热板底部的加热板及附近的网格比其它地方的网格要密集，这样 就使得网格在不同的位置的疏密程度有所不同，这点正是运用了g a m b i t 中的 网格生成的自适应的特点。在g a m b i t 中将板上表面定义为蒸发散热壁面 ( w a l l ) ，板下表面定义为导热散热壁面( w a l l ) ，板的四个侧面定义为墙体( w a l l ) 类型的表面，而板与热源接触部分则作为输送热量的壁面( w a l l ) 。在g a m b i t 中生成的网格保存为m e s h 格式的文件，以便在f l u e n t 中进行读取从而进一步 完成对各种边界条件的设定和初值的初始化。 2 、边界条件的设定： 边界包括底板上表面蒸发面、下表面换热面以及加热器( h e a t o r ) 。这里 浙江大学硕士学位论文 要定义上表面换热系数，下表面热流密度以及热源热流密度。 图3 2 沸腾换热面的条件设定 图3 3 下壁面换热条件设定 加热器( h e a t o r ) 部分的边界条件的设定界面如下所示 浙江大学硕士学位论文 图3 4 加热面的条件设定 在上图所示的界面中，可以进行有关传热、动量、辐射等边界条件的设定， 针对本课题的具体情况，我们只需要进行有关热边界条件的设定就可以了。在 热边界条件的设定中，由于加热器的底部的热流密度大小恒定，因此在热边界 条件下应该完成的是关于h e a tf l u x 的设定，在该条件中，我们需要设定热流 密度的大小、壁面厚度以及壁面材料。热流密度的大小根据加热功率q 和蒸发 器底部的面积a ，即可算出热流密度为q a = q ，壁面的材料为铜，材料选择铜 是由于同具有良好的导热性能，可以使蒸发器底部很快的到达热均匀状态。 第三节模型的选择及相关内容的设定 1 模型选择 选择解决问题的模型( 界面如下图3 5 所示) ，在这里选择的是非耦合的 隐式三维稳态模型，选用隐式模型可以使得所有通项和源项完全牛顿形式线性 化。 图3 5m o d e l 界面 2f l u e n t 中单位的设定 将g a m b i t 中生成的网格导入到f l u e n t ，这样就可以进行各种条件的设定。 为了方便起见，可将温度的单位由开尔文( k ) 改为摄氏度( ) ，长度单位由 米( m ) 改为毫米( 唧) 。 3 工作物质 对模型中所要设计的工作物质进行选择及设定。在本模型中板质为铜，因 铜的各物性参数随温度变化很小，且在本模型中的温度范围很低( 温度在4 0 1 0 0 之间) ，所以铜的各物性可定为常数。 图3 6 物质铜的选择 浙江大学