陶素連 何秋梅

(廣東水利電力職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)械工程系 廣州 510925)

不同參數(shù)對(duì)復(fù)合毛細(xì)芯熱柱傳熱性能的影響

陶素連 何秋梅

(廣東水利電力職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)械工程系 廣州 510925)

針對(duì)高性能電子芯片散熱存在的問題，研制了一種復(fù)合毛細(xì)芯熱柱，設(shè)計(jì)了復(fù)合毛細(xì)芯熱柱的結(jié)構(gòu)及其毛細(xì)芯結(jié)構(gòu)，研究了不同參數(shù)對(duì)復(fù)合毛細(xì)芯熱柱的傳熱性能的影響。結(jié)果表明復(fù)合毛細(xì)芯熱柱在3 s內(nèi)達(dá)到了恒定溫度，啟動(dòng)性能非常好;熱柱的最大傳熱量為140 W，傳熱性能隨熱柱傾斜角度的增加而降低;隨著銅纖維直徑的增加而降低。銅纖維燒結(jié)層厚度過大過小對(duì)熱柱的傳熱性能都不利，只有適中的銅纖維燒結(jié)層厚度，熱柱的傳熱性能最好。

復(fù)合毛細(xì)芯 熱柱 傳熱性能

1 引言

隨著微電子技術(shù)的迅速發(fā)展，電子元器件的高頻、高速以及高集成度使得單位容積電子元器件的的發(fā)熱量快速增大，高的熱流密度及溫度已成為制約電子器件性能的瓶頸［1-2］。目前解決狹小空間高熱流密度芯片的熱控制有效的方式是采用熱管散熱，而熱管有它本身的局限性:(1)許多場(chǎng)合安裝散熱裝置的空間有限，需要將微熱管彎曲或壓扁［3］;(2)有些場(chǎng)合需多根熱管才能解決散熱問題，而在多根熱管上安裝散熱片加工難度大，成本高;(3)在熱管和發(fā)熱電子元件之間需要增加散熱基板，增加了熱阻［4］。熱柱作為熱管的一個(gè)變身，它還具有粗短，導(dǎo)熱速率快、傳熱能力大、適應(yīng)性好等優(yōu)點(diǎn)，正滿足高性能電子元件的散熱及空間需求［5］。研究了一種新型復(fù)合毛細(xì)芯熱柱的毛細(xì)結(jié)構(gòu)及加工方法［6］，研究熱柱最為關(guān)心的是其傳熱性能，因此有必要對(duì)其進(jìn)行性能測(cè)試。

2 復(fù)合毛細(xì)芯熱柱的結(jié)構(gòu)及實(shí)驗(yàn)裝置

2.1 復(fù)合毛細(xì)芯熱柱的結(jié)構(gòu)

圖1為復(fù)合毛細(xì)芯熱柱的結(jié)構(gòu)圖，熱柱由蒸發(fā)端、冷凝端、密封蓋、工質(zhì)及抽真空管組成。復(fù)合毛細(xì)芯是在微溝槽上燒結(jié)一層銅纖維。蒸發(fā)端微溝槽結(jié)構(gòu)如圖2a所示，采用犁切-擠壓法加工出相互正交的微溝槽，擠壓-犁切后的微溝槽表面形貌粗糙，形成大量微通孔，汽、液兩相流可縱橫連續(xù)交錯(cuò)流動(dòng)，促進(jìn)強(qiáng)化沸騰。冷凝端微溝槽結(jié)構(gòu)如圖2b所示，微通道翅化冷凝結(jié)構(gòu)表面采用相互交錯(cuò)的溝槽翅結(jié)構(gòu)，由微溝槽、凸緣和間歇微翅組成，氣、液兩相可在相互交錯(cuò)的微通道內(nèi)流動(dòng)，微溝槽周邊的翅結(jié)構(gòu)有利于成核、對(duì)流。蒸發(fā)端和冷凝端微溝槽上燒結(jié)的一層銅纖維如圖2c所示。

圖1 復(fù)合毛細(xì)芯熱柱的結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure diagram of composite wick heat column

圖2 熱柱毛細(xì)芯的結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Wick structure of heat column

2.2 傳熱性能測(cè)試系統(tǒng)

圖3為熱柱性能測(cè)試系統(tǒng)原理圖。熱柱性能測(cè)試系統(tǒng)主要包括3大模塊:加熱模塊、溫度采集模塊以及冷卻模塊。

(1)加熱模塊

在實(shí)驗(yàn)中將發(fā)熱的紫銅棒作為模擬熱源，紫銅棒和熱柱接觸的面積與芯片的大小相當(dāng)。研究采用熱阻為160 Ω的加熱棒為銅棒提供熱量，而加熱棒連接到調(diào)壓器上，通過調(diào)節(jié)變壓器的電壓來調(diào)節(jié)加熱紫銅棒輸出的熱量。為了避免加熱過程中熱量的散失，在加熱棒及熱柱蒸發(fā)端周圍用石棉包裹嚴(yán)密，保證變壓器的輸出功率和加熱棒提供給熱柱的功率是相當(dāng)?shù)摹?/p>

(2)冷卻模塊

為了使熱柱冷凝端熱量及時(shí)散失出去，采用散熱鋁翅片套在熱柱冷凝端周圍，并且在熱柱上表面安裝風(fēng)扇實(shí)行強(qiáng)制對(duì)流加快冷凝端面熱量的散失。從而保證熱源散發(fā)出的熱量及時(shí)導(dǎo)出，降低熱源的溫度。

(3)測(cè)溫模塊

測(cè)試溫度時(shí)，將熱電偶布置到熱柱的蒸發(fā)端和冷凝端，5個(gè)K型熱電偶連接到溫度采集模塊ADAM-4018，再通過溫度轉(zhuǎn)換模塊ADAM-4520輸入計(jì)算機(jī)，采集的信號(hào)通過測(cè)試程序中實(shí)時(shí)顯示并記錄，采集頻率為1次/s。

圖3 熱柱傳熱性能測(cè)試系統(tǒng)原理圖Fig.3 Test system schematic diagram of heat transfer for heat column

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 熱柱的啟動(dòng)性能

圖4為熱柱的熱響應(yīng)曲線圖，從圖中可以看到熱柱在不到3 s的時(shí)間就可以可以達(dá)到恒定的溫度，這說明電子芯片的熱量迅速將熱量傳遞給熱柱，熱柱的溫度很快就和電子芯片的溫度相當(dāng)了，然后熱柱通過冷卻系統(tǒng)散熱。這說明熱柱在很短的時(shí)間內(nèi)啟動(dòng)工作，啟動(dòng)性能非常好。

圖4 熱柱熱響應(yīng)曲線Fig.4 Thermal response curve of heat column

3.2 加熱功率對(duì)熱柱傳熱性能的影響

圖5為環(huán)境溫度為23℃時(shí)熱柱豎直放置時(shí)在不同的加熱功率下其表面溫度情況。當(dāng)加熱功率分別為20、40、60、80、100、120 和140 W 時(shí)，熱柱表面的最高溫度分別為26.2℃、30.7℃、34.2℃、39.2℃、43.7℃、48.8℃。從圖中可以看到，熱柱的表面溫度隨著加熱功率的增加而增加，但是在單一加熱功率下，熱柱表面的溫度基本恒定，這說明熱柱的均溫性特別好，可以將熱源的熱量及時(shí)傳導(dǎo)出去。從圖中還可以看到當(dāng)加熱功率為160 W時(shí)熱柱的蒸發(fā)端及冷凝端溫差很大，達(dá)到了10℃，說明這時(shí)候熱柱不能正常工作。

圖5 熱柱垂直放置時(shí)的等溫性能Fig.5 Equal temperature? performacne of heat column placed vertically

3.3 傾斜角度對(duì)熱柱傳熱性能的影響

定義當(dāng)熱柱的軸線和豎直方向的夾角為熱柱的傾斜角度。圖6為熱柱的傾斜角度對(duì)熱柱傳熱性能的影響。當(dāng)加熱功率為20 W時(shí)，傾斜角為0℃的時(shí)候熱柱最高溫度為26.2℃;傾斜角度為10°時(shí)，熱柱的最高溫度為27.2℃;傾斜角度為20°時(shí)，熱柱的最高溫度為27.8℃;傾斜角度為30°時(shí)，熱柱的最高溫度為28.5℃;傾斜角度為60°時(shí)，熱柱的最高溫度為29.8℃;傾斜角度為90°時(shí)，熱柱的最高溫度為30℃;熱柱表面最高溫度隨著傾斜角度的增加而增加。在其他加熱功率下，熱柱在傾斜角度為0℃時(shí)，其溫度最低，當(dāng)傾斜角度為90°時(shí)，其溫度最高，熱柱表面的最高溫度隨著傾斜角度的增加而增加。這主要是由于在0°時(shí)，熱柱垂直放置，熱柱的重力作用使得熱柱冷凝液體能夠更容易回流到蒸發(fā)端中，而隨著傾斜角度的增加，重力在垂直方向的分力逐漸減少。

圖6 不同傾斜角度下熱柱傳熱性能Fig.6 Heat transfer performance of heat column at different inclination angle

3.4 外界環(huán)境對(duì)熱柱傳熱性能的影響

圖7為熱柱性能測(cè)試系統(tǒng)中風(fēng)扇接5 V電源時(shí)其表面溫度隨著加熱功率的變化情況。從圖中可以看到熱柱的加熱功率為80 W時(shí)其表面溫度溫差很大，已經(jīng)失效了。而當(dāng)熱柱風(fēng)扇接12 V電源時(shí)，熱柱在加熱功率為160 W時(shí)熱柱才失效。這說明當(dāng)風(fēng)扇所接電源電壓越大，風(fēng)扇帶出去的熱量越多，當(dāng)然風(fēng)扇電源要在其允許的電壓范圍之內(nèi)，否則系統(tǒng)不能正常工作。圖8為熱柱接通電壓風(fēng)扇時(shí)熱柱表面的最高溫度隨輸入功率的變化情況。

圖7 風(fēng)扇接5 V電源時(shí)熱柱的傳熱性能Fig.7 Heat transfer performance of heat column when the fan joined 5 V electric source

圖8 風(fēng)扇接不同功率電源時(shí)熱柱的傳熱性能Fig.8 Heat transfer performance of heat column when fan joined different electric source

3.5 纖維直徑對(duì)熱柱傳熱性能的影響

圖9為毛細(xì)芯中所用的銅纖維直徑分別為50、100和150 μm的情況下，熱柱的蒸發(fā)端的溫度隨輸入功率的變化情況。從圖中可以看到熱柱毛細(xì)芯中銅纖維的直徑越大，蒸發(fā)端的溫度越高，反之則越低。熱柱蒸發(fā)端的溫度越高，說明和熱柱接觸的電子元件的溫度越高，對(duì)其性能越不利，這說明在同等情況下，毛細(xì)芯中的銅纖維直徑越細(xì)越好。圖10為熱柱毛細(xì)芯采用不同直徑的銅纖維時(shí)其熱阻隨著輸入功率的變化情況，從圖中可以看到熱阻隨著毛細(xì)芯所用銅纖維的直徑的增加而增大，但是熱阻都很小。

3.6 纖維層厚度對(duì)熱柱傳熱性能的影響

圖11為熱阻毛細(xì)芯中纖維燒結(jié)層的厚度對(duì)熱柱的傳熱性能的影響。從圖中可以看到在同等輸入功率的情況下，當(dāng)燒結(jié)纖維層的厚度分別為0.5 mm、1.5 mm時(shí)，熱柱的蒸發(fā)端的溫度均高于當(dāng)燒結(jié)纖維層的厚度為1 mm時(shí)的溫度，由此可見當(dāng)熱柱毛細(xì)芯中銅纖維燒結(jié)層的厚度為1 mm時(shí)，熱柱的傳熱性能最好。從圖12中可以看到，熱柱的熱阻隨著纖維燒結(jié)層的厚度增加而增大。

圖9 不同纖維直徑熱柱的傳熱性能Fig.9 Heat transfer performance of different diameter column

圖10 熱阻隨著纖維直徑的變化情況Fig.10 Heat resestiance of different fibre diameter fibre for heat for heat column

圖11 不同纖維厚度對(duì)熱柱傳熱性能的影響Fig.11 Influence of different fibre thickness of heat column

圖12 不同纖維燒結(jié)層厚度的熱柱在不同輸入功率下熱阻曲線Fig.12 Heat resistance curve uder different input power of for heat transfer different thick fibre sintering layer

4 結(jié)論

(1)復(fù)合毛細(xì)芯熱柱在3 s內(nèi)達(dá)到恒定溫度，啟動(dòng)性能非常好;

(2)復(fù)合毛細(xì)芯熱柱的最大傳熱量為140 W;

(3)復(fù)合毛細(xì)芯熱柱的最大傳熱量隨著斜角度的增加而降低;

(4)銅纖維燒結(jié)層中的纖維直徑越細(xì)，復(fù)合毛細(xì)芯熱柱傳熱性能最好;

(5)銅纖維燒結(jié)層厚度適中的時(shí)候，復(fù)合毛細(xì)芯熱柱傳熱性能最好。燒結(jié)層厚度越大，熱柱的熱阻越大。

1 Yazawa K，Bar-Cohen A.Energy efficient cooling of notebook computers.2002 Inter Society Conference on Thermal Phenomena，San Diego，CA Institute of Electrical and Electronics Engineering Inc，2002，785-791.

2 JM Y，Cho H，Kim M，et al.Micro cooling application on high density memory module.19th IEEE EMI-THERM Symposium［C］.San Jose，CA Institute of Electrical and Electronics Engineering，2003，179-184.

3 陶漢中，張 紅，莊 駿.小型微槽道熱管90°彎曲前后傳熱性能比較［J］.宇航學(xué)報(bào)，2008，29(2):722-72.

4 嘉善華昇電子熱傳科技有限公司.柱形熱管及制造方法［P］.中國(guó)，申請(qǐng)?zhí)?200510060428.6.

5 Tao Sulian，Tang Yong，Lu Longsheng，et al.Fabricationand experimental study of heat column［C］.2010 InternationalConference on Mechanic Automation and Control Engineering，Wuhan:IEEE，2010:3036-3040.

6 陶素連，湯 勇.熱柱復(fù)合毛細(xì)芯的成形工藝及其優(yōu)化［J］.華南理工大學(xué)學(xué)報(bào)，自然科學(xué)版，2011，39(6):29-35.

Influence of different parameter on heat transfer performance for composite wick heat column

Tao Sulian He Qiumei

(Department of Mechanical Engineering，Guangdong Technical College of Water Resources and Electric Engineering，Guangzhou 510925，China)

Composite wick heat column applied in dissipating high flux of microelectronic chip was developed and its structure were designed.The influence of different parameter on its heat transfer performance was investigated in test.The result shows that the composite wick heat column reached invariable temperature in 3s，which indicated it had good start-up performance.The composite wick heat column’s maximum heat transfer quantity is 140 W，the heat transfer performance decreases as the inclined angle increasing and increases as copper fiber diameter decreases.It is disadvantage for the heat transfer performance when the copper fiber sintering layer’s thickness is too large or little.Only when copper fiber diameter is moderate，it’s heat transfer performance is the best.

composite wick;heat column;heat transfer performance

TB61，TB69

A

1000-6516(2013)01-0060-05

2012-10-03;

2013-02-20

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(50930005)，廣東省自然科學(xué)基金項(xiàng)目(U0834002)。

陶素連，女，33歲，博士、講師。