郝俊嬌，潘日，周剛，張亞軍，莊儉

（1北京化工大學(xué)高分子材料加工裝備教育部工程研究中心，北京100029；2寧波力勁機(jī)械有限公司，浙江 寧波315806）

現(xiàn)代電子設(shè)備正日益成為由高密度組裝、微組裝所形成的高度集成系統(tǒng)，而熱流密度的提高日益成為系統(tǒng)穩(wěn)定工作和性能提升的絆腳石。電子器件的正常工作溫度范圍一般為-5～65℃，超過(guò)這個(gè)范圍，元件性能將顯著下降。據(jù)統(tǒng)計(jì)，電子產(chǎn)品故障發(fā)生的原因55%以上是由于冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)不良所致[1-2]。以微電子芯片為例，其熱流密度一般為60～90W/cm2，最高已達(dá)200W/cm2以上。傳統(tǒng)散熱器均采用單相流體，即使采用強(qiáng)制風(fēng)冷，也只適用于密度不大于10W/cm2的電子器件。因此，傳統(tǒng)散熱器在散熱量、體積、質(zhì)量等諸多方面已不能滿足要求，熱管散熱器應(yīng)運(yùn)而生。目前，而熱管是一種高效傳熱元件，已經(jīng)成為電子領(lǐng)域中重要的散熱元件，其原理是憑借封閉管內(nèi)的工作介質(zhì)反復(fù)發(fā)生相變（蒸發(fā)、冷凝）而進(jìn)行熱量傳遞，基本工作原理如圖1所示。

圖1 熱管工作原理圖

熱管首先是由美國(guó)通用發(fā)動(dòng)機(jī)公司Gaugler于1944年在美國(guó)專利中提出，此后1963年美國(guó)Los Alamos國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的Grover重新獨(dú)立發(fā)明了類似于Gaugler的傳熱元件，并通過(guò)性能測(cè)試試驗(yàn)，正式命名為熱管。

采用熱管相變技術(shù)的熱管散熱器對(duì)各種電力電子設(shè)備或裝置具有很強(qiáng)的適應(yīng)性，其散熱能力強(qiáng)，最高散熱功率已經(jīng)達(dá)到200W/cm2，且結(jié)構(gòu)形狀和尺寸設(shè)計(jì)具有較高靈活性，使得相對(duì)于傳統(tǒng)散熱器具有很大優(yōu)勢(shì)[3-4]。熱管散熱器可以較好地解決微電子設(shè)備，尤其是CPU芯片的冷卻問(wèn)題。該領(lǐng)域的研發(fā)和深入探討對(duì)我國(guó)的電子信息、化工、新能源、高性能計(jì)算機(jī)、空間技術(shù)及MEMS等領(lǐng)域的技術(shù)進(jìn)步具有重要的意義。

本文針對(duì)近年應(yīng)用于高熱流密度芯片領(lǐng)域的熱管散熱技術(shù)研究進(jìn)行了分析，總結(jié)了熱管散熱器新的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、熱管內(nèi)部吸液芯結(jié)構(gòu)及工質(zhì)流體的改進(jìn)、散熱器多參數(shù)優(yōu)化及相關(guān)優(yōu)化方法等方面的研究成果和存在的問(wèn)題。

1 熱管散熱器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及其改進(jìn)

從散熱器的基本工作原理出發(fā)，提高散熱性能或效率的表征參數(shù)是總熱阻R，其為環(huán)境和CPU表面的溫差與散熱量值的比值，見式（1）。

式中，Tc是電子芯片的表面溫度；Ta是周圍環(huán)境溫度；Q是通過(guò)散熱器散出的熱量。Q是利用傅里葉導(dǎo)熱定律求出，如式（2）。

式中，λ為熱導(dǎo)率，A為總換熱面積，ΔT為溫度變化；δ為厚度。

從式（1）可知環(huán)境溫度一定時(shí)，電子芯片表面溫度越低，則溫差ΔT越大，總熱阻越小，相應(yīng)式（2）中總散熱量Q也就越大，散熱器的散熱效果越好。常見熱管散熱器典型結(jié)構(gòu)主要包括基板、熱管、翅片和風(fēng)扇等，如圖2所示。

圖2 散熱器結(jié)構(gòu)實(shí)物圖

新型熱管散熱器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及其改進(jìn)主要集中在以下3個(gè)方面：不同種類熱管間的組合、熱管在基板上的排布形式以及熱管與翅片散熱器間的不同布置。

1.1 熱管組合

在不同類型熱管的組合方面，最典型的結(jié)構(gòu)首推前期白敏麗等[5]提出的新概念-集成散熱器，它由平板熱管與常規(guī)熱管組成，經(jīng)試驗(yàn)測(cè)試滿足高功率、高熱流密度、多熱源的CPU散熱。之后楊洪武[6]又開發(fā)出微槽群集成熱管散熱器，并證明具有簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)和良好的散熱能力。在前面兩種形式基礎(chǔ)的發(fā)展之上，吳紅剛等[7]開發(fā)了用于芯片散熱的集成熱管散熱器試驗(yàn)證明可以把功率在140W以上的CPU表面溫度降至45℃以下，使得集成熱管散熱器的效率顯著提高。

與集成熱管散熱器不同，Singh等[8]將平板蒸發(fā)器與微型環(huán)路熱管結(jié)合，該銅-水配置的微型回路熱管用于有限空間的筆記本和高熱流密度的芯片，有優(yōu)越的傳熱特性，熱阻最低達(dá)到0.06℃/W，且與熱源接觸面處不需減阻材料。與之相類似的結(jié)構(gòu)還有Li等[9]設(shè)計(jì)的將底面為30mm×30mm平板正方形蒸發(fā)器與緊湊型環(huán)路熱管組成的散熱器，在良好的垂直配置下，能夠?qū)崿F(xiàn)CPU/GPU的散熱，并且輕松適應(yīng)LED或其他高功率芯片的熱管理。

1.2 熱管的形狀、排布及與翅片散熱器的相對(duì)布置

熱管在基板上的排布影響散熱器底板的傳熱性能、底面均溫性，進(jìn)而影響冷卻效率。諸凱等[10]開發(fā)了一種熱管呈工字形排布鑲嵌于底板的散熱器，研究得出風(fēng)速控制在4m/s時(shí)，即可滿足最高熱流密度為74.3W/cm2的芯片冷卻的需要，并提出熱管排布時(shí)應(yīng)盡量向低溫側(cè)延伸的優(yōu)化方案。王強(qiáng)等[11]采用平板熱管作蒸發(fā)器、重力熱管作冷凝段的布置，與翅片散熱器構(gòu)成翅片式重力熱管散熱器，該散熱器冷凝段溫度分布均勻，冷凝段管壁溫度相差不超過(guò)3℃，變工況下響應(yīng)時(shí)間較短。Jeehoon等[12]提出將翅片散熱器與彎曲Ω形的熱管相結(jié)合，風(fēng)扇在兩個(gè)翅片散熱器中心，試驗(yàn)表明在整體尺寸與傳統(tǒng)設(shè)計(jì)相近或相等情況下，該布置方式的散熱器冷卻能力提高。噪聲為21.5～36.3dBA時(shí)，總熱阻在0.11～0.19℃/W。南京工業(yè)大學(xué)王偉濤等[13]設(shè)計(jì)了圓翅片與熱管叉排的散熱器，發(fā)現(xiàn)只有排間距顯著增大時(shí)，散熱能力才降低，熱阻增大，摩擦系數(shù)的值在熱管呈正三角形布置時(shí)下上下變動(dòng)。

2 熱管吸液芯的結(jié)構(gòu)改進(jìn)和納米流體的加入

熱管吸液芯的結(jié)構(gòu)從傳統(tǒng)的單層或多層網(wǎng)芯、金屬粉末燒結(jié)與軸向槽道式變得復(fù)雜多樣。熱管內(nèi)部工質(zhì)也從水、甲醇等發(fā)展到納米流體，以進(jìn)一步提高管內(nèi)毛細(xì)壓力、降低傳熱熱阻。

表征熱管內(nèi)特征量的計(jì)算公式如下。毛細(xì)壓力與吸液芯彎月面兩側(cè)壓差如式（3）。

式中，σ為液體表面張力（系數(shù)）；θ為接觸角，rc為彎月面曲率半徑。

蒸汽壓降和吸液芯中液體流動(dòng)的壓降主要參考Cotter[14]建議的公式來(lái)計(jì)算，如式（4）。

式中，νμ為蒸汽的黏度；vρ為蒸汽密度；vr為蒸汽腔外半徑；Re為雷諾數(shù)。

式中，vp為蒸汽壓力；g為重力加速度；φ為熱管與水平面的傾角；l為熱管管道長(zhǎng)度；b為修正毛細(xì)孔彎曲度的量綱為1常數(shù)；lμ為液體的黏度；為x處的軸向液體質(zhì)量流量；rw為吸液芯外半徑；vr為蒸汽腔外半徑；ε為吸液芯的空隙率；lρ為液體密度；hlr為吸液芯的有效毛細(xì)水力半徑。

2.1 吸液芯的結(jié)構(gòu)改進(jìn)

對(duì)熱管內(nèi)部吸液芯的改進(jìn)主要體現(xiàn)在以復(fù)合吸液芯為代表的幾種新型吸液芯結(jié)構(gòu)上。Xie等[15]在蒸發(fā)器和多冷凝器中研制出新型吸液芯結(jié)構(gòu)，通過(guò)熱性能及壓降進(jìn)行試驗(yàn)研究，在總功率為400W、空氣流速為71m3/h、壓降為30Pa的情況下，熱阻降為0.118K/W。紀(jì)獻(xiàn)兵等[16]用超輕的多孔泡沫金屬作為平板熱管的毛細(xì)吸液芯，結(jié)果發(fā)現(xiàn)此超輕多孔吸液芯結(jié)構(gòu)能夠明顯強(qiáng)化平板熱管的傳熱性能，并且具有良好的均溫特性。Jiang等[17]提出了一種微孔槽復(fù)合芯扁平熱管，內(nèi)部由不易彎曲部分微裂紋渠道和多孔燒結(jié)粉末組成，試驗(yàn)證實(shí)該結(jié)構(gòu)的熱管熱阻介于溝槽式毛細(xì)扁平熱管和燒結(jié)毛細(xì)扁平熱管之間，一定條件下傳熱極限比溝槽式毛細(xì)扁平熱管和燒結(jié)毛細(xì)扁平熱管都要高。韓天[18]采用纖維緊密排列形成了工質(zhì)回流吸液芯，該平板微熱管解決了限制普通平板微熱管性能提高的3個(gè)結(jié)構(gòu)性問(wèn)題：兩相間摩擦力大，回流溝道尖銳度低，單位面積溝道數(shù)量少。隨后，李勇等[19]設(shè)計(jì)了一種新型的纖維復(fù)合溝槽毛細(xì)吸液芯結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)能夠?qū)崿F(xiàn)吸液芯孔隙率的區(qū)域化分布，使得溝槽通道暢通無(wú)阻，有效減小了工質(zhì)的回流阻力。與銅粉復(fù)合溝槽微熱管進(jìn)行對(duì)比發(fā)現(xiàn)，該種吸液芯熱管的傳熱性能更好。白穜等[20]設(shè)計(jì)了一種新型組合式熱管吸液芯，試驗(yàn)測(cè)得熱管當(dāng)量導(dǎo)熱系數(shù)可以達(dá)到其殼體導(dǎo)熱系數(shù)的11.2倍，強(qiáng)化傳熱效果顯著?？苤竞５萚21]提出利用多層金屬絲編織成絲網(wǎng)，通過(guò)疊層壓制和高溫?zé)Y(jié)制造成燒結(jié)毛細(xì)金屬氈吸液芯熱管。盡管熱管吸液芯在結(jié)構(gòu)上有諸多改進(jìn)，但其復(fù)雜結(jié)構(gòu)使得加工比較困難。

2.2 納米流體的引入

納米流體是一種新的傳熱冷卻工質(zhì)，研究人員把納米科技引入到換熱領(lǐng)域，產(chǎn)生了良好的效果。Tsai等[22]最早將納米流體應(yīng)用于熱管中。Mousa[23]研究了Al2O3-水納米流體熱管。宮玉英等[24]制備了SiO2-水納米流體熱管，其傳熱系數(shù)是水熱管傳熱系數(shù)的1.35～1.70倍，熱阻明顯低于水熱管的熱阻。Solomon等[25]研究了Cu-水納米流體對(duì)熱管換熱性能的影響，與工質(zhì)為去離子水的熱管作對(duì)比，結(jié)果表明銅-水納米流體的熱管內(nèi)蒸汽速度與裝入去離子水的相比要高出20%，可達(dá)0.5m/s，氣液界面間壓降增加，其原因是納米流體在吸液芯區(qū)域形成了多孔涂層提高了熱管的傳熱能力。刁彥華等[26]對(duì)TiO2/R141b納米流體為工質(zhì)的微槽道結(jié)構(gòu)蒸發(fā)器進(jìn)行了試驗(yàn)研究，結(jié)果表明納米流體在微槽道結(jié)構(gòu)內(nèi)蒸發(fā)/傳熱特性中有重要的影響，主要是由于納米顆粒附著在換熱表面形成沉積層強(qiáng)化了蒸發(fā)/沸騰換熱過(guò)程，而且存在最佳的納米顆粒體積分?jǐn)?shù)使得傳熱系數(shù)最大。

納米流體已經(jīng)被證實(shí)在熱管內(nèi)有廣泛的應(yīng)用前景，然而該領(lǐng)域卻缺乏納米顆粒在蒸發(fā)段和冷凝段合的理傳熱理論模型，而這對(duì)于熱管的優(yōu)化設(shè)計(jì)，尤其強(qiáng)化換熱是至關(guān)重要的。

3 提高熱管散熱器熱性能的方法

3.1 冷凝段散熱量的提高

熱管冷凝熱量主要通過(guò)翅片與外界的對(duì)流散熱進(jìn)行熱交換。基本計(jì)算式如式（6）。

式中，h為表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)；A為總換熱面積；tΔ為溫度變化。設(shè)R為對(duì)流換熱熱阻，如式（7）。

對(duì)流換熱系數(shù)與流體的物理狀態(tài)和換熱表面幾何因素等有關(guān)。

Wang等[27]研究發(fā)現(xiàn)冷凝段翅片換熱量占總散熱量的64%，熱管蒸發(fā)段導(dǎo)熱量所占比例為36%，提出優(yōu)化冷凝段散熱是提高熱管散熱器效率的主要手段。Liang等[28]對(duì)帶有U形熱管的翅片散熱器中熱管蒸發(fā)段長(zhǎng)度與冷凝段長(zhǎng)度的比率值（L-比率）進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)最優(yōu)的L-比率值依賴于熱管直徑、冷凝段翅片間距等參數(shù)。而翅片的形式也從20世紀(jì)普遍運(yùn)用的直翅片發(fā)展到后來(lái)的三角形截面波紋片、正弦截面波紋片[29]，翅片的結(jié)構(gòu)形式不斷推陳出新。文獻(xiàn)[9]中分別研究了平直A型、平直B型、開縫型翅片的散熱性能并進(jìn)行對(duì)比分析，得出開縫型翅片效果最好，邊界層厚度減薄。勾昱君等[30]對(duì)具有菱形、開孔形及外翻形翅片的熱管換熱器進(jìn)行試驗(yàn)，結(jié)果表明翅片切割外翻形的散熱性能最好。TawatSamana[31]提高了熱管上金屬絲翅片的換熱效率，采用固體金屬絲片替換為填充R123的振蕩熱管，試驗(yàn)結(jié)果顯示此翅片散熱效率比傳統(tǒng)翅片散熱效率提高5%。

3.2 試驗(yàn)手段對(duì)散熱器運(yùn)行參數(shù)的改進(jìn)

試驗(yàn)是對(duì)散熱器參數(shù)優(yōu)化和性能分析的最主要途徑?？苤竞５萚32]利用試驗(yàn)成功測(cè)試了所研發(fā)的新型平板熱管的啟動(dòng)特性、均溫特性以及加熱功率、傾角對(duì)其傳熱性能的影響。Yousefi等[33]試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)對(duì)于給定的CPU溫度，熱管存在一個(gè)閾值角度，從0°到閾值角度，熱阻保持恒定不變；超過(guò)閾值，熱阻急劇增加。Mohamed等[34]利用試驗(yàn)測(cè)試等方法對(duì)L形熱管翅片散熱器研究，得出冷卻氣流速率和輸入功率對(duì)翅片熱管散熱器的整體熱阻有較大影響，熱輸入為34.95W、冷卻氣流速率為6.21m3/h時(shí)優(yōu)化后的有限傳熱系數(shù)Keff為5998W/(m·K)，模擬結(jié)果和試驗(yàn)結(jié)果比較吻合，蒸汽和液體的壓降的數(shù)值解同解析解也相吻合。EInaggarMHA等[35]對(duì)CPU冷卻用U形熱管翅片散熱器的熱功率和冷卻速度進(jìn)行試驗(yàn)研究與優(yōu)化，發(fā)現(xiàn)兩者對(duì)有效導(dǎo)熱系數(shù)有重要影響。試驗(yàn)所得最優(yōu)熱輸入與空氣速率分別為49.03W和2.9m/s，此時(shí)最高導(dǎo)熱系數(shù)位23839 W/(m·K)。

3.3 數(shù)值模擬等方法對(duì)散熱器結(jié)構(gòu)參數(shù)的優(yōu)化

提高熱管散熱器熱性能的另一有效手段是利用仿真軟件進(jìn)行模擬分析。喜娜[6]等驗(yàn)證了STAR-CD軟件建模的可靠性，并用數(shù)值模擬方法對(duì)翅片厚度、間距對(duì)散熱器流動(dòng)與傳熱特性影響進(jìn)行了研究。唐連偉等[36]采用CFD方法對(duì)不同熱管間距及翅間距時(shí)翅片側(cè)的換熱性能及空氣流動(dòng)阻力進(jìn)行了數(shù)值計(jì)算研究，指出在中低迎面風(fēng)速下適當(dāng)減小翅間距、適當(dāng)提高兩熱管間距能提升換熱效果。Mohamed[37]利用ANSYS/FLOTRAN仿真軟件計(jì)算，結(jié)果表明銅燒結(jié)粉末與絲網(wǎng)芯相比均溫性更好，但是吸液區(qū)熱傳輸能力降低。絲網(wǎng)芯內(nèi)部工質(zhì)為水時(shí)減少了吸液區(qū)的壓降，工質(zhì)為甲醇時(shí)液體壓降與溫差增加，為最終優(yōu)化設(shè)計(jì)提供理論支持。

此外，數(shù)值優(yōu)化基本方法和解析方法作為新途徑也用來(lái)提高散熱器的熱性能。周建輝等[38]利用CFD方法分析了平板直肋片散熱器特性，通過(guò)多元線性回歸構(gòu)建準(zhǔn)則關(guān)系式和相應(yīng)的熵產(chǎn)率公式，基于遺傳優(yōu)化算法，采用準(zhǔn)則關(guān)系式對(duì)散熱器進(jìn)行多參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)，結(jié)果與相關(guān)文獻(xiàn)吻合。同樣利用遺傳算法的還有ZhangChengbin等[39]，對(duì)Ω形軸向槽道并熱進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)計(jì)算求得最佳的熱管結(jié)構(gòu)參數(shù)匹配。LipsStéphane等[40]用傅里葉級(jí)數(shù)來(lái)求解熱管管壁的三維熱傳導(dǎo)方程，推導(dǎo)逆公式來(lái)估計(jì)毛細(xì)結(jié)構(gòu)參數(shù)，在解析解法下建立了傳統(tǒng)平板熱管或圓柱熱管的通用分析模型，可以用來(lái)直接優(yōu)化熱管參數(shù)及熱源和散熱片的位置。

目前已有的文獻(xiàn)報(bào)道中對(duì)熱管散熱器熱性能的提高中，針對(duì)運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行改進(jìn)的試驗(yàn)結(jié)果不盡相同；而在結(jié)構(gòu)參數(shù)的優(yōu)化方面，大多數(shù)模擬與解析方法將熱管元件的導(dǎo)熱系數(shù)等效，忽略內(nèi)部的相變過(guò)程，從而與試驗(yàn)數(shù)據(jù)有一定的誤差。

4 結(jié)語(yǔ)

熱管散熱器在有限體積內(nèi)能夠有效降低熱阻，增加換熱量，提高系統(tǒng)的安全性與壽命，在高性能計(jì)算機(jī)、空間技術(shù)及MEMS等高熱流密度的電力電子裝置中有很大應(yīng)用前景。同時(shí)也存在著大量問(wèn)題和挑戰(zhàn)，結(jié)構(gòu)傳統(tǒng)單一，復(fù)雜新型吸液芯加工困難，納米流體理論機(jī)理不足、實(shí)際制備困難，而具體參數(shù)的優(yōu)化主要依賴實(shí)驗(yàn)，模擬和解析結(jié)果也不盡相同。將來(lái)還需要從下面幾個(gè)方向努力。

（1）以集成熱管散熱形式為例的新概念排布結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的散熱器有待開發(fā)和深入研究。

（2）對(duì)納米流體理論模型的建立、機(jī)理分析和換熱特性的總結(jié)，性能穩(wěn)定的納米流體的制備。

（3）尋求復(fù)合吸液芯的合理加工方法與成形工藝。

（4）開發(fā)可靠通用的熱性能分析及參數(shù)優(yōu)化方法也是今后的進(jìn)一步研究的方向。

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