高羨明，鄭毅，張功學(xué)，任佳

（陜西科技大學(xué) 機電工程學(xué)院，西安 710021）

0 引言

近年來隨著微電子技術(shù)的迅猛發(fā)展，電子器件的體積不斷縮小，集成度不斷提高，這使得單位體積內(nèi)的發(fā)熱量越來越大。因此，為保證電子器件高效、穩(wěn)定地運行，必須利用有效的散熱技術(shù)來防止過高的工作溫度。

而均熱板通過內(nèi)部工質(zhì)液的相變（氣-液往復(fù)循環(huán)）來達到散熱目的，是一種非常高效的散熱方式，它不需要任何移動電源，避免了傳統(tǒng)散熱方式耗電能的劣勢，是一種非常節(jié)能、綠色、環(huán)保的高性能散熱裝置。故本文針對V形、圓弧和形微槽道結(jié)構(gòu)均熱板為研究對象，利用Fluent軟件進行均熱板內(nèi)部流體域數(shù)值模擬，研究不同的微槽道結(jié)構(gòu)形狀對均熱板散熱性能的影響。

1 課題研究主要內(nèi)容

從外觀來看，均熱板類似于一種平面板狀物，上下各有一個像蓋的結(jié)構(gòu)相互密合，在密封真空腔體內(nèi)有支撐柱，通常以去離子水為工作流體[1]。同時，均熱板內(nèi)部存在于類似毛細管道的微結(jié)構(gòu)，最常見的微結(jié)構(gòu)類型有3種：粉末燒結(jié)、金屬網(wǎng)層和平行凹槽[2]。均熱板的工作原理包括傳導(dǎo)、蒸發(fā)、對流、凝結(jié)，均熱板在工作時, 內(nèi)部工質(zhì)受熱或冷卻時發(fā)生液相到氣相和氣相到液相的相變過程, 可吸收和釋放大量的熱來進行熱量的快速傳遞。

圖1 均熱板工作原理圖

本文以矩形、V形、圓弧U形微槽道結(jié)構(gòu)均熱板為研究對象，由于均熱板內(nèi)部為密封的真空腔體，很難觀察到其內(nèi)部流體域變化情況，故利用Fluent軟件進行數(shù)值模擬，分析微槽道結(jié)構(gòu)對流體域參數(shù)變化的影響。因為真實均熱板微槽道結(jié)構(gòu)數(shù)量非常之多，數(shù)值模擬時所耗費的時間長且對硬件設(shè)施要求高，故選取從真實均熱板內(nèi)部切出一個小單元體為仿真模型，運用有限元的思想，以部分代替整體來研究類似毛細管道的微槽道結(jié)構(gòu)形狀對均熱板散熱性能的影響，對比3種結(jié)構(gòu)選出最優(yōu)方案，為均熱板微槽道結(jié)構(gòu)設(shè)計提供一些理論依據(jù)，同時本文還研究了3種結(jié)構(gòu)均熱板的均溫性及內(nèi)部流體域壓力、速度變化情況。

圖2 三種微結(jié)構(gòu)槽道均熱板模型

2 均熱板數(shù)值模擬過程

2.1 三維模型構(gòu)建

本課題以微結(jié)構(gòu)尺寸如圖3所示，以直徑為6 mm,高度為3 mm的圓盤狀均熱板為研究對象，利用UG三維軟件構(gòu)建三種微槽道結(jié)構(gòu)，如圖4所示，該模型選取自實際應(yīng)用均熱板的一個小單元，運用有限元思想，以部分代替整體。將該模型導(dǎo)入Geometry模塊，進行邊界條件定義。

圖3 矩形、V形、圓弧U形微槽道結(jié)構(gòu)尺寸

圖4 矩形、V形、圓弧U形微槽道三維模型

2.2 Mesh網(wǎng)格劃分

本課題使用Mesh自動劃分網(wǎng)格功能，打開Mesh模塊，在樹狀圖下方選擇CFD(計算流體力學(xué))及Fluent(流體)，尺寸高級功能選擇Proximity(打開接近)，運用相關(guān)性和相關(guān)中心兩個維度來調(diào)節(jié)網(wǎng)格大小，選擇合適的網(wǎng)格。

2.3 Fluent參數(shù)設(shè)置模塊

Fluent模塊包括7個方面的設(shè)置，分別為通用模塊、材料模塊、模型模塊、邊界條件模塊、求解模塊、初始化模塊及計算模塊。

3 主要成果

3.1 3種微結(jié)構(gòu)散熱性能比較

3種微槽道結(jié)構(gòu)均熱板的邊界條件為蒸發(fā)端熱源溫度為573 K，冷凝端冷流溫度為283.15 K，壁面為輻射散熱溫度值為298.15 K，即室溫為25 ℃。根據(jù)均熱板的工作原理，冷凝端會有熱源從蒸發(fā)端傳遞而來，而蒸發(fā)端同樣會有冷流從冷凝端傳遞過來，故通過對比討論3種均熱板（矩形、V形、圓弧U形）冷凝端的溫度最大值Tmax與蒸發(fā)端的溫度最小值Tmin可以判別哪種微結(jié)構(gòu)均熱板傳熱速度的快慢，進而研究均熱板的散熱性能的好壞。

均熱板冷凝端的Tmax越大，其熱源從蒸發(fā)端傳至冷凝端的速度越快，從圖5中可以看出矩形和V形微槽道均熱板的Tmax很接近，其遠遠大于圓弧U形，說明矩形與V形的熱傳遞速度相近大于圓弧U形；均熱板蒸發(fā)端的Tmin越小，其冷流從冷凝端傳至蒸發(fā)端的速度越快，從圖6可以看出矩形和V形微槽道均熱板冷流的Tmin同樣很接近，遠小于U形，也說明矩形與V形的熱傳遞速度相近且大于圓弧U形。因此三種微槽道均熱板的熱傳遞速度矩形與V形接近，圓弧U形最差。

圖5 不同微槽道結(jié)構(gòu)均熱板冷凝端Tmax

圖6 不同微槽道結(jié)構(gòu)均熱板蒸發(fā)端Tmin

傳熱量同樣也是表征均熱板散熱效果好壞的一個參量，圖7表示了3種不同微槽道結(jié)構(gòu)隨時間（從上往下）變化的軸截面溫度云圖，從圖中可以看出這3種結(jié)構(gòu)的溫度云圖均呈梯度式分布，隨著時間的變化，V形槽道均熱板的傳熱量最大，矩形次之，圓弧U形最差。

圖7 矩形、V形、圓弧U形軸界面溫度分布云圖（左列：矩形；中間列：V形；右列：圓弧U形）

因此，通過傳熱速度與傳熱量的兩個維度的分析，最終得出V形槽道具有最好的傳熱效果，即V形微槽道均熱板結(jié)構(gòu)具有最好的散熱效果。

3.2 3種微結(jié)構(gòu)均溫性的研究

均溫性對均熱板的好壞具有很大影響，本課題比較了3種不同微槽道結(jié)構(gòu)蒸發(fā)端與冷凝端的ΔT，從圖8和圖9中可以看出，圓弧U形微槽道均熱板具有最好的均溫性，矩形和V形次之。

3.3 均熱板內(nèi)部流體域速度變化情況研究

從表1可以看出3種微結(jié)構(gòu)槽道均熱板內(nèi)部流體域均的速度變化情況較緩慢，這極有可能是因為均熱板是一個無需電源、無需任何移動組件，完全密封的被動式裝置。

表1 不同微槽道結(jié)構(gòu)均熱板軸截面速度隨時間的變化值 m/s

4 結(jié)論

1）通過對3種不同微結(jié)構(gòu)槽道均熱板冷凝端Tmax、蒸發(fā)端Tmin和軸截面溫度隨時間變化的云圖進行對比，得出V形微槽道結(jié)構(gòu)均熱板具有最好的散熱效果，其次是矩形，圓弧U形最差。

2）通過對比3種不同微結(jié)構(gòu)槽道均熱板冷凝端與蒸發(fā)端的ΔT，結(jié)果表明圓弧U形均溫性最好，矩形與V形均溫性很接近。

圖8 不同微槽道結(jié)構(gòu)均熱板冷凝端ΔT

圖9 不同微槽道結(jié)構(gòu)均熱板蒸發(fā)端ΔT

3）通過對3種不同微結(jié)構(gòu)槽道均熱板軸截面處速度隨時間變化的數(shù)值研究，發(fā)現(xiàn)均熱板內(nèi)部流體的運動速度處于較緩和的狀態(tài)。