郝俊嬌，潘日，周剛，張亞軍，莊儉

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

現(xiàn)代電子設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℃，超過這個范圍，元件性能將顯著下降。據(jù)統(tǒng)計，電子產(chǎn)品故障發(fā)生的原因55%以上是由于冷卻系統(tǒng)設計不良所致[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200W/cm2以上。傳統(tǒng)散熱器均采用單相流體，即使采用強制風冷，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、質量等諸多方面已不能滿足要求，熱管散熱器應運而生。目前，而熱管是一種高效傳熱元件，已經(jīng)成為電子領域中重要的散熱元件，其原理是憑借封閉管內(nèi)的工作介質反復發(fā)生相變（蒸發(fā)、冷凝）而進行熱量傳遞，基本工作原理如圖1所示。

圖1 熱管工作原理圖

熱管首先是由美國通用發(fā)動機公司Gaugler于1944年在美國專利中提出，此后1963年美國Los Alamos國家實驗室的Grover重新獨立發(fā)明了類似于Gaugler的傳熱元件，并通過性能測試試驗，正式命名為熱管。

采用熱管相變技術的熱管散熱器對各種電力電子設備或裝置具有很強的適應性，其散熱能力強，最高散熱功率已經(jīng)達到200W/cm2，且結構形狀和尺寸設計具有較高靈活性，使得相對于傳統(tǒng)散熱器具有很大優(yōu)勢[3-4]。熱管散熱器可以較好地解決微電子設備，尤其是CPU芯片的冷卻問題。該領域的研發(fā)和深入探討對我國的電子信息、化工、新能源、高性能計算機、空間技術及MEMS等領域的技術進步具有重要的意義。

本文針對近年應用于高熱流密度芯片領域的熱管散熱技術研究進行了分析，總結了熱管散熱器新的結構設計、熱管內(nèi)部吸液芯結構及工質流體的改進、散熱器多參數(shù)優(yōu)化及相關優(yōu)化方法等方面的研究成果和存在的問題。

1 熱管散熱器結構設計及其改進

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是通過散熱器散出的熱量。Q是利用傅里葉導熱定律求出，如式（2）。

式中，λ為熱導率，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，電子芯片表面溫度越低，則溫差ΔT越大，總熱阻越小，相應式（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構主要包括基板、熱管、翅片和風扇等，如圖2所示。

圖2 散熱器結構實物圖

新型熱管散熱器的結構設計及其改進主要集中在以下3個方面：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，最典型的結構首推前期白敏麗等[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)試驗測試滿足高功率、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，并證明具有簡單的結構和良好的散熱能力。在前面兩種形式基礎的發(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。與之相類似的結構還有Li等[9]設計的將底面為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，能夠實現(xiàn)CPU/GPU的散熱，并且輕松適應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，研究得出風速控制在4m/s時，即可滿足最高熱流密度為74.3W/cm2的芯片冷卻的需要，并提出熱管排布時應盡量向低溫側延伸的優(yōu)化方案。王強等[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3℃，變工況下響應時間較短。Jeehoon等[12]提出將翅片散熱器與彎曲Ω形的熱管相結合，風扇在兩個翅片散熱器中心，試驗表明在整體尺寸與傳統(tǒng)設計相近或相等情況下，該布置方式的散熱器冷卻能力提高。噪聲為21.5～36.3dBA時，總熱阻在0.11～0.19℃/W。南京工業(yè)大學王偉濤等[13]設計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，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下上下變動。

2 熱管吸液芯的結構改進和納米流體的加入

熱管吸液芯的結構從傳統(tǒng)的單層或多層網(wǎng)芯、金屬粉末燒結與軸向槽道式變得復雜多樣。熱管內(nèi)部工質也從水、甲醇等發(fā)展到納米流體，以進一步提高管內(nèi)毛細壓力、降低傳熱熱阻。

表征熱管內(nèi)特征量的計算公式如下。毛細壓力與吸液芯彎月面兩側壓差如式（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的壓降主要參考Cotter[14]建議的公式來計算，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為熱管管道長度；b為修正毛細孔彎曲度的量綱為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水力半徑。

2.1 吸液芯的結構改進

對熱管內(nèi)部吸液芯的改進主要體現(xiàn)在以復合吸液芯為代表的幾種新型吸液芯結構上。Xie等[15]在蒸發(fā)器和多冷凝器中研制出新型吸液芯結構，通過熱性能及壓降進行試驗研究，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。紀獻兵等[16]用超輕的多孔泡沫金屬作為平板熱管的毛細吸液芯，結果發(fā)現(xiàn)此超輕多孔吸液芯結構能夠明顯強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粉末組成，試驗證實該結構的熱管熱阻介于溝槽式毛細扁平熱管和燒結毛細扁平熱管之間，一定條件下傳熱極限比溝槽式毛細扁平熱管和燒結毛細扁平熱管都要高。韓天[18]采用纖維緊密排列形成了工質回流吸液芯，該平板微熱管解決了限制普通平板微熱管性能提高的3個結構性問題：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]設計了一種新型的纖維復合溝槽毛細吸液芯結構，該結構能夠實現(xiàn)吸液芯孔隙率的區(qū)域化分布，使得溝槽通道暢通無阻，有效減小了工質的回流阻力。與銅粉復合溝槽微熱管進行對比發(fā)現(xiàn)，該種吸液芯熱管的傳熱性能更好。白穜等[20]設計了一種新型組合式熱管吸液芯，試驗測得熱管當量導熱系數(shù)可以達到其殼體導熱系數(shù)的11.2倍，強化傳熱效果顯著?？苤竞５萚21]提出利用多層金屬絲編織成絲網(wǎng)，通過疊層壓制和高溫燒結制造成燒結毛細金屬氈吸液芯熱管。盡管熱管吸液芯在結構上有諸多改進，但其復雜結構使得加工比較困難。

2.2 納米流體的引入

納米流體是一種新的傳熱冷卻工質，研究人員把納米科技引入到換熱領域，產(chǎn)生了良好的效果。Tsai等[22]最早將納米流體應用于熱管中。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-水納米流體對熱管換熱性能的影響，與工質為去離子水的熱管作對比，結果表明銅-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TiO2/R141b納米流體為工質的微槽道結構蒸發(fā)器進行了試驗研究，結果表明納米流體在微槽道結構內(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化了蒸發(fā)/沸騰換熱過程，而且存在最佳的納米顆粒體積分數(shù)使得傳熱系數(shù)最大。

納米流體已經(jīng)被證實在熱管內(nèi)有廣泛的應用前景，然而該領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，而這對于熱管的優(yōu)化設計，尤其強化換熱是至關重要的。

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翅片與外界的對流散熱進行熱交換?；居嬎闶饺缡剑?）。

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R為對流換熱熱阻，如式（7）。

對流換熱系數(shù)與流體的物理狀態(tài)和換熱表面幾何因素等有關。

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]對帶有U形熱管的翅片散熱器中熱管蒸發(fā)段長度與冷凝段長度的比率值（L-比率）進行分析，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世紀普遍運用的直翅片發(fā)展到后來的三角形截面波紋片、正弦截面波紋片[29]，翅片的結構形式不斷推陳出新。文獻[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行對比分析，得出開縫型翅片效果最好，邊界層厚度減薄。勾昱君等[30]對具有菱形、開孔形及外翻形翅片的熱管換熱器進行試驗，結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，試驗結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 試驗手段對散熱器運行參數(shù)的改進

試驗是對散熱器參數(shù)優(yōu)化和性能分析的最主要途徑?？苤竞５萚32]利用試驗成功測試了所研發(fā)的新型平板熱管的啟動特性、均溫特性以及加熱功率、傾角對其傳熱性能的影響。Yousefi等[33]試驗發(fā)現(xiàn)對于給定的CPU溫度，熱管存在一個閾值角度，從0°到閾值角度，熱阻保持恒定不變；超過閾值，熱阻急劇增加。Mohamed等[34]利用試驗測試等方法對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時優(yōu)化后的有限傳熱系數(shù)Keff為5998W/(m·K)，模擬結果和試驗結果比較吻合，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CPU冷卻用U形熱管翅片散熱器的熱功率和冷卻速度進行試驗研究與優(yōu)化，發(fā)現(xiàn)兩者對有效導熱系數(shù)有重要影響。試驗所得最優(yōu)熱輸入與空氣速率分別為49.03W和2.9m/s，此時最高導熱系數(shù)位23839 W/(m·K)。

3.3 數(shù)值模擬等方法對散熱器結構參數(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行模擬分析。喜娜[6]等驗證了STAR-CD軟件建模的可靠性，并用數(shù)值模擬方法對翅片厚度、間距對散熱器流動與傳熱特性影響進行了研究。唐連偉等[36]采用CFD方法對不同熱管間距及翅間距時翅片側的換熱性能及空氣流動阻力進行了數(shù)值計算研究，指出在中低迎面風速下適當減小翅間距、適當提高兩熱管間距能提升換熱效果。Mohamed[37]利用ANSYS/FLOTRAN仿真軟件計算，結果表明銅燒結粉末與絲網(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)部工質為水時減少了吸液區(qū)的壓降，工質為甲醇時液體壓降與溫差增加，為最終優(yōu)化設計提供理論支持。

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，通過多元線性回歸構建準則關系式和相應的熵產(chǎn)率公式，基于遺傳優(yōu)化算法，采用準則關系式對散熱器進行多參數(shù)優(yōu)化設計，結果與相關文獻吻合。同樣利用遺傳算法的還有ZhangChengbin等[39]，對Ω形軸向槽道并熱進行了優(yōu)化設計計算求得最佳的熱管結構參數(shù)匹配。LipsStéphane等[40]用傅里葉級數(shù)來求解熱管管壁的三維熱傳導方程，推導逆公式來估計毛細結構參數(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。

目前已有的文獻報道中對熱管散熱器熱性能的提高中，針對運行參數(shù)進行改進的試驗結果不盡相同；而在結構參數(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熱系數(shù)等效，忽略內(nèi)部的相變過程，從而與試驗數(shù)據(jù)有一定的誤差。

4 結語

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，在高性能計算機、空間技術及MEMS等高熱流密度的電力電子裝置中有很大應用前景。同時也存在著大量問題和挑戰(zhàn)，結構傳統(tǒng)單一，復雜新型吸液芯加工困難，納米流體理論機理不足、實際制備困難，而具體參數(shù)的優(yōu)化主要依賴實驗，模擬和解析結果也不盡相同。將來還需要從下面幾個方向努力。

（1）以集成熱管散熱形式為例的新概念排布結構設計的散熱器有待開發(fā)和深入研究。

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

（3）尋求復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一步研究的方向。

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