平板熱管與熱沉一體化設(shè)計的散熱分析

于 凱，張 靜，朱恒宣，雒 婧，王 進

(河北工業(yè)大學， 天津 300400)

各種武器裝備系統(tǒng)均離不開集成電路、芯片等高功率電子元件，為保障裝備的正常運行，需要考慮包括熱設(shè)計[1]、電磁兼容設(shè)計[2]等諸多要求。此外，隨著裝備系統(tǒng)的集成度要求的提高，各電子元件的功率需求不斷增加，電子元件之間堆疊積累的導熱熱阻不斷增大，芯片的散熱問題急需解決。目前，芯片散熱的相關(guān)結(jié)構(gòu)已經(jīng)成為裝備系統(tǒng)的重要組成部分[3]。

傳統(tǒng)的聯(lián)合風冷散熱翅片結(jié)構(gòu)[4]，存在熱流量小、散熱速度慢等問題，已不能滿足逐漸微型化的裝備系統(tǒng)的需求。基于相變傳熱的熱管散熱器以其高傳熱速率、大熱流密度等優(yōu)勢獲得了廣泛的應用。在用于芯片散熱的熱管中，具有更大接觸面積的平板熱管是目前學者的研究熱點[5]。Lefèvre等[6]通過實驗研究了單層篩網(wǎng)、雙層篩網(wǎng)及配合凹槽的篩網(wǎng)對平板熱管傳熱性能的影響。其結(jié)果表明，配合凹槽的篩網(wǎng)可避免前兩者毛細極限的限制，實現(xiàn)高熱流量傳遞，但同時又受沸騰傳熱自身極限的影響。Chen等[7]在所得的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上，分別采用一維熱阻模型與二維熱阻模型對平板熱管的熱阻進行了計算模擬及理論分析，為后續(xù)熱管理和電子熱設(shè)計提供參考。近年來，平板熱管與散熱熱沉的配合使用是主要的研究熱點。Peng等[8]實驗研究了不同空氣流速、工作流體填充率及真空度對其平板熱管熱性能的影響。Wang等[9]通過實驗和模擬的方法，測試并證實了所設(shè)計的新型平板熱管可將散熱效率提高10%～15%。

本研究在上述研究成果的基礎(chǔ)上，提出將平板熱管與熱沉一體化設(shè)計相結(jié)合的設(shè)計方案，并基于數(shù)值模擬及熱阻計算分析工作過程中的散熱效果。

1 平板熱管與熱沉一體化設(shè)計

1.1 設(shè)計結(jié)構(gòu)

當前，電子電路向高度集成化及微型化方向發(fā)展，高效緊湊和裝配簡便成為對散熱結(jié)構(gòu)的新要求。本文研究的平板熱管與熱沉一體化設(shè)計包括兩個主要結(jié)構(gòu)，即帶翅片的冷凝結(jié)構(gòu)和帶有絲網(wǎng)吸液芯的蒸發(fā)結(jié)構(gòu)，如圖1所示。與傳統(tǒng)平板熱管的冷凝結(jié)構(gòu)不同，在本文的結(jié)構(gòu)設(shè)計里，翅片與冷凝部分是一個整體，這樣設(shè)計可去除兩者之間存在的接觸熱阻。此外，在冷凝表面等間距設(shè)置微小矩形凹槽，構(gòu)成異形平板熱管，有利于增加冷凝表面的面積、強化散熱過程。蒸發(fā)結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)平板熱管的蒸發(fā)部分相同，均是在蒸發(fā)表面設(shè)置矩形凹槽，在凹槽內(nèi)布置絲網(wǎng)吸液芯，通過冷凝結(jié)構(gòu)的凸起部分對絲網(wǎng)吸液芯進行縱向固定。

圖1 新型平板熱管設(shè)計示意圖

此新型平板熱管的材質(zhì)均選用鋁材，絲網(wǎng)吸液芯采用銅燒結(jié)吸液芯結(jié)構(gòu)，吸液芯目數(shù)為500目、厚度為1 mm，絲網(wǎng)吸液芯是在一般的網(wǎng)狀吸液芯的底部增設(shè)了一段粗網(wǎng)眼的絲網(wǎng)，具有一定的儲液能力，可貯留多余的工作液體。根據(jù)熱管工作液體的選用原則，為保證工作液體與平板熱管、吸液芯材料的相容性以及工作液體的熱穩(wěn)定性和經(jīng)濟性，在此設(shè)計中選用二次蒸餾的水。

1.2 散熱原理

當某熱源產(chǎn)生的熱量加熱到新型平板熱管下方的蒸發(fā)面后，蒸發(fā)面上吸液芯內(nèi)的工作液體開始吸熱蒸發(fā)，將熱源產(chǎn)生的熱量儲存為工作液體的潛熱。工作液體蒸發(fā)形成的蒸汽擴散到新型平板熱管上方的各空腔內(nèi)，之后逐漸在冷凝面上凝結(jié)、釋放潛熱，在散熱翅片的作用下，熱量最終傳遞到外界環(huán)境中，實現(xiàn)對熱源的散熱效果。冷凝后的工作液體流回吸液芯中，工作液體重新流回到蒸發(fā)面，如圖2所示。通過這種相變傳熱方式，工作液體及其蒸汽在吸液芯與空腔中循環(huán)流動，在蒸發(fā)和冷凝過程中儲存和釋放熱量，實現(xiàn)熱量的高效傳遞。

圖2 新型平板熱管散熱原理

2 新型平板熱管結(jié)構(gòu)的計算分析

由于新型平板熱管的尺寸較小，制造裝配過程需要較精密的操作設(shè)備，但為了檢驗新型平板熱管的散熱性能，本研究采用有限元分析軟件ANSYS Icepak對其進行仿真計算分析。

2.1 建立幾何模型

在新型平板熱管的散熱中，涉及模型間的導熱過程、與計算區(qū)域內(nèi)空氣的對流換熱及輻射換熱過程。本設(shè)計及模型中各部分結(jié)構(gòu)的尺寸及參數(shù)如表1所示。

表1 Icepak模型尺寸及參數(shù)

其中，模擬熱源的芯片功率為30 W，平板熱管通過創(chuàng)建各向異性導熱材料進行模擬，其各向異性導熱系數(shù)根據(jù)實驗數(shù)據(jù)設(shè)定。由于計算熱源面積較大，選用其中的極限各向?qū)嵯禂?shù)作為平板熱管的模擬參數(shù)。在進行平板熱管與熱沉非一體化的模擬時，通過設(shè)置散熱基板接觸面的熱阻對兩者之間存在的導熱介質(zhì)進行模擬。根據(jù)表1中參數(shù)建立的幾何模型如圖3所示。

圖3 新型平板熱管幾何模型

2.2 網(wǎng)格劃分及網(wǎng)格獨立性分析

為了減少網(wǎng)格數(shù)量同時提高計算精度，本文使用非連續(xù)性Mesher-HD網(wǎng)格對各模塊進行網(wǎng)格劃分。圖4展示了模型沿X方向的局部網(wǎng)格劃分圖。

圖4 模型局部網(wǎng)格劃分

為了進行網(wǎng)格獨立性分析，劃分了3種不同數(shù)量的網(wǎng)格，網(wǎng)格1：網(wǎng)格數(shù)233萬、網(wǎng)格2：網(wǎng)格數(shù)116萬、網(wǎng)格3：網(wǎng)格數(shù)64萬，并將各自在不同接觸熱阻Ri條件下的內(nèi)熱阻Rjc進行對比，可以得出內(nèi)熱阻值之間的差異在0.43%～0.65%之間，幾乎保持一致，網(wǎng)格獨立性分析如圖5所示。在3種網(wǎng)格中，為適當減少計算量同時確保計算精度，本文選用網(wǎng)格2進行數(shù)值計算。

圖5 網(wǎng)格獨立性分析曲線

2.3 控制方程及邊界條件

通過ANSYS Icepak 18.0進行建模并使用ANSYS Fluent 18.0進行數(shù)值計算，計算涉及的控制方程包括質(zhì)量守恒方程、動量守恒方程以及能量守恒方程。為模擬真實的工作環(huán)境，平板熱管需處于水平狀態(tài)。在計算區(qū)域的上、下面進行開口設(shè)置以模擬空氣對流過程，并在開口上設(shè)置不同的空氣流速以模擬不同的環(huán)境條件。在求解計算設(shè)置中，環(huán)境溫度及輻射環(huán)境溫度保持默認值20 ℃，計算區(qū)域外界壓力為標準大氣壓。模擬過程考慮自然對流及輻射換熱的影響，設(shè)置重力大小及方向為-9.8 m/s2，流動狀態(tài)為湍流。

2.4 數(shù)據(jù)處理

本文對新型平板熱管熱阻對散熱效果的影響進行了研究分析。在裝備系統(tǒng)的集成電路中，熱量從熱源端散熱到環(huán)境端的熱阻稱為總熱阻Rja。總熱阻等于內(nèi)熱阻Rjc與外熱阻Rca之和，其中：

內(nèi)熱阻Rjc表示芯片到殼體的熱阻：

Rjc=(Tj-TC)/P

(1)

外熱阻Rca表示殼體與環(huán)境空氣的熱阻：

Rca=(Tc-Ta)/P

(2)

式中：Tj為芯片結(jié)溫；Tc為管殼溫度；Ta為環(huán)境空氣溫度；P為芯片功率。

內(nèi)熱阻為芯片熱阻與散熱結(jié)構(gòu)熱阻之和，但芯片熱阻是固定的，而散熱結(jié)構(gòu)的熱阻則與設(shè)計形式、加工工藝及選用材料有關(guān)[10]。本研究針對新型平板熱管的散熱結(jié)構(gòu)熱阻(即平板熱管與熱沉之間的內(nèi)熱阻)與材料的導熱熱阻進行相應的分析研究。

3 結(jié)果與討論

3.1 接觸熱阻對散熱過程的影響

本文首先在相同模型尺寸和參數(shù)與相同溫度和風速的條件下，模擬分析了不同接觸熱阻條件對平板熱管蒸發(fā)面與冷凝面溫度場分布的影響。在風速為0、無接觸熱阻時，此新型平板熱管蒸發(fā)面與冷凝面的溫度分布云圖如圖6所示。

圖6 新型平板熱管溫度云圖

從蒸發(fā)面的溫度云圖中可以看出，熱量在各方向上的散熱較均勻，但中心區(qū)域溫度較高，四周區(qū)域溫度較低，溫差為3.29 ℃。從冷凝面的溫度云圖可以看出，高溫區(qū)域由蒸發(fā)面中的近似方形變?yōu)榻崎L條形。相較于X方向，高溫區(qū)域在Z方向有較大延展，可能是由于散熱翅片(圖6中虛線框)是沿X方向從而強化了此方向散熱。

同時，結(jié)合最高、最低溫度變化曲線圖(如圖7)，可以發(fā)現(xiàn)蒸發(fā)面、冷凝面溫度隨接觸熱阻的增大而升高。圖7中蒸發(fā)面、冷凝面的各自溫差范圍分別為3.29～3.31 ℃、0.25～1.15 ℃，溫差相對較小，但隨著接觸熱阻增大，蒸發(fā)面與冷凝面之間的溫差由4.92 ℃逐漸增大到11.89 ℃。總體上看，接觸熱阻越小越有利于降低熱源溫度、實現(xiàn)平板熱管的均勻化散熱。

圖7 最高最低溫度變化曲線

通過對數(shù)據(jù)進行處理可得出內(nèi)熱阻、總熱阻隨接觸熱阻的變化曲線如圖8所示。圖8中0.0接觸熱阻情況代表此新型平板熱管，其內(nèi)熱阻和總熱阻大小分別為0.22 ℃/W和1.60 ℃/W。并且在接觸熱阻由0.0 ℃/W增至0.5 ℃/W的過程中，內(nèi)熱阻值上升至0.63 ℃/W，增幅達到186%；總熱阻值上升至1.99 ℃/W，增幅達到24%。控制接觸熱阻的大小對減小平板熱管熱阻、提高散熱能力具有明顯作用。以上的模擬結(jié)果及數(shù)據(jù)表明，接觸熱阻越小，則總熱阻與內(nèi)熱阻越小；相比于其他有接觸熱阻的情況，如與接觸熱阻為0.1 ℃/W的平板熱管相比，此新型平板熱管至少可將內(nèi)熱阻有效減小28.18%、將總熱阻減小4.77%。

圖8 熱阻變化曲線

3.2 風速對散熱過程的影響

在相同模型尺寸和參數(shù)與相同溫度和接觸熱阻條件下，模擬分析了不同風速條件對新型平板熱管蒸發(fā)面與冷凝面溫度場分布的影響。風速V為0.5 m/s，風向為-Y方向時，新型平板熱管蒸發(fā)面與冷凝面溫度分布如圖9所示。

從蒸發(fā)面的溫度云圖中可以看出，在0.5 m/s風速條件下，中心高溫區(qū)域的溫度明顯下降，同時低溫區(qū)域向四周有明顯延展。從冷凝面溫度云圖可以看出，中間區(qū)域得到有效散熱，溫度較低，但由于受到下方熱空氣的對流影響，翅片的周圍區(qū)域受到加熱，溫度較高。

圖9 新型平板熱管溫度云圖

最高、最低溫度的變化曲線如圖10，由圖可以發(fā)現(xiàn)，與0風速條件下的最高、最低溫度相比，0.15～ 0.45 m/s范圍內(nèi)，各部分結(jié)構(gòu)的最高、最低溫度有明顯的升高，蒸發(fā)面上最高、最低溫度最大分別升高了9.67 ℃、9.53 ℃，冷凝面上最高、最低溫度分別升高了10.24 ℃、10.07 ℃，散熱效果明顯惡化。這是因為此范圍內(nèi)的風速干擾了翅片間的自然對流換熱過程，從而導致散熱量減少、溫度上升。

圖10 最高最低溫度變化曲線

在風速為0，風向為-Y方向時，自然對流起主導作用如圖11所示。可以對此新型平板熱管進行有效的散熱；在風速0.35 m/s時，自然對流與強制對流均占據(jù)一定程度的影響作用，從而導致自然對流與強制對流產(chǎn)生的氣流相互交匯并形成高溫渦流區(qū)，使得熱量積聚在貼近翅片底端的位置而不能得到有效散失；在風速0.5 m/s時，強制對流開始占據(jù)主導作用，在強制對流的影響下，此渦流區(qū)向上方移動甚至脫離翅片區(qū)域，從而改善散熱性能，降低此新型平板熱管的溫度。因此，為保證良好的散熱效果應控制使用環(huán)境內(nèi)的散熱風速，避免處于此風速范圍，從而強化翅片間空氣的對流換熱，提高新型散熱翅片的散熱性能。

對新型平板熱管空氣粒子跡線圖的分析，可定性估計主導其散熱效果的散熱方式。對新型平板熱管的影響程度可通過熱阻分析法得出。通過對數(shù)據(jù)進行處理，可得出新型平板熱管的內(nèi)熱阻、總熱阻隨風速的變化曲線如圖12所示。在風速由0.1 m/s增加到0.35 m/s過程中，總熱阻與內(nèi)熱阻都增至最大值，分別增大了0.33 ℃/W、0.02 ℃/W，而風速由0.35 m/s增大到0.45 m/s后，總熱阻與內(nèi)熱阻又分別降低0.30 ℃/W、0.01 ℃/W。綜合考慮風速對總熱阻及內(nèi)熱阻的影響，本研究認為風速大小應合理控制，避免風速為0.15～ 0.45 m/s。則可以確保總熱阻與內(nèi)熱阻得到有效減小而不至惡化，從而為此新型平板熱管提供正常的運行環(huán)境。

圖11 新型平板熱管空氣粒子跡線

圖12 熱阻變化曲線

4 結(jié)論

1) 提出的平板熱管與熱沉一體化設(shè)計結(jié)構(gòu)可以通過在冷凝面上設(shè)置凹槽增大其冷凝面積，從而提高散熱效率。此外，熱沉與冷凝部分一體化結(jié)構(gòu)可減小平板熱管與熱沉之間的接觸熱阻，以增大散熱量，并實現(xiàn)均勻化散熱效果。

2) 在相同風速條件下，新型平板熱管蒸發(fā)面與冷凝面的溫度場分布較均勻，溫差范圍分別為3.29～3.31 ℃、0.25～1.15 ℃。同時，新型平板熱管的設(shè)計形式可消除接觸熱阻，內(nèi)熱阻與總熱阻達到最小，最有利于改善散熱性能。

3) 新型平板熱管在不同風速條件下具有不同的溫度場分布，并存在一個最不利于散熱的風速范圍(0.15～0.45 m/s)。在此風速范圍外，不同風速條件均可不同程度地降低內(nèi)熱阻與總熱阻，從而改善新型平板熱管整體結(jié)構(gòu)散熱效果。