電子電器設(shè)備中高效熱管散熱技術(shù)的研究現(xiàn)狀及發(fā)展
姚壽廣，馬哲樹，羅林，陳如冰（華東船舶工業(yè)學(xué)院機械系，江蘇鎮(zhèn)江）
摘要：隨著電子技術(shù)的不斷發(fā)展，半導(dǎo)體器件電路集成化程度越來越高，組件的功率更大而物理尺寸越來越小，熱流密度也隨之增加，高熱流密度的形成帶來了對電子元件更高的熱控制要求。因此有效的解決散熱問題已成為當前電子電器設(shè)備亟待解決的關(guān)鍵技術(shù)。本文針對電子及電器設(shè)備的散熱冷卻問題綜述了高效熱管散熱方面的應(yīng)用研究現(xiàn)狀及發(fā)展。
關(guān)鍵詞：熱管；散熱；電子儀器
引 言
電子電器設(shè)備的高效散熱一直是現(xiàn)代傳熱技術(shù)的主要應(yīng)用之一。電子元器件可靠性的改善，功率容量的增加以及結(jié)構(gòu)的微小型化等都直接取決于器件本身熱控制的完善程度。近年來，電子技術(shù)迅速發(fā)展，電子器件的高頻、高速以及集成電路的密集和小型化，使得單位容積電子器件的發(fā)熱量快速增大。電子器件正常的工作溫度范圍一般為，超過這個范圍，元件性能將顯著下降，不能穩(wěn)定工作，因而也勢必影響系統(tǒng)運行的可靠性。研究和實際應(yīng)用表明，單個半導(dǎo)體元件的溫度每升高，系統(tǒng)的可靠性將降低V%Z。因此電子技術(shù)的發(fā)展需要有良好的散熱手段來保證。由于電子元器件的小型化和集成化，這種散熱手段要求具有緊湊性、可靠性、靈活性、高散熱效率、不需要維修等特點，從而為現(xiàn)代傳熱技術(shù)在電子冷卻領(lǐng)域的應(yīng)用提出了新的課題。
隨著電子電路集成化程度和各種大功率電子器件容量的增加，加上電子器件或裝置體積尺寸越來越小，散熱裝置本身必須完成的散熱要求也越來越高。同時，散熱裝置的布置和設(shè)計遇到的約束也越來越嚴重。年之間，電子器件的散熱熱流密度增加了倍。以微電子芯片為例，目前一般已達，最高已達。傳統(tǒng)的依靠單相流體的對流換熱方法和強制風(fēng)冷方法只能用于熱流密度不大于的電子器件，對于這種情況已顯得無能為力。因此，必須研究和開發(fā)新的散熱手段以適應(yīng)有高熱流密度散熱要求的場合。由于熱管技術(shù)具有極高的導(dǎo)熱性、優(yōu)良的等溫性、熱流密度可變性、熱流方向的可逆性、恒溫特性環(huán)境的適應(yīng)性等優(yōu)良特點，可以滿足電子電器設(shè)備對散熱裝置緊湊、可靠、控制靈活、高散熱效率、不需要維修等要求。因此，熱管技術(shù)已在電氣設(shè)備散熱、電子器件冷卻、半導(dǎo)體元件以及大規(guī)模集成電路板的散熱方面取得很多應(yīng)用成果。以下對熱管技術(shù)在該領(lǐng)域的最新應(yīng)用研究現(xiàn)狀作一概述。
1 國內(nèi)外應(yīng)用現(xiàn)狀及發(fā)展
國外許多科研機構(gòu)和科技工作者都先后對熱管冷卻技術(shù)進行了大量的研究，取得了卓有成效的研究成果。早在等報道了西德成功研制出用于大功率半導(dǎo)體元件冷卻的熱管散熱器，它的重量僅為傳統(tǒng)散熱器的五分之一［3］；二十世紀八十年代4525/106 等研制了一種類似柔性熱管的用于電子器件或多芯片模塊的熱管裝置，并在以后的研究報告中給出了有關(guān)的分析和實驗，并提出了不凝結(jié)氣體的形成、軸向冷凝的阻塞以及由于小蒸發(fā)面積而產(chǎn)生的沸騰極限等一些問題［7］，它不僅引起了人們的廣泛注意和興趣，還促進了熱管技術(shù)在該領(lǐng)域的深入研究和應(yīng)用。
目前熱管的結(jié)構(gòu)和形狀隨著對象的本身結(jié)構(gòu)形狀及使用條件的變化已發(fā)展得更加多樣復(fù)雜和系列化。在系統(tǒng)設(shè)備級的熱控制中，典型的如許多通訊中繼設(shè)備大多安裝在地下水源水道的檢修孔內(nèi)。為了對付這種環(huán)境，器件的外殼必須密封以防水和防潮。一般情況下可將電子設(shè)備緊靠殼體側(cè)壁安裝，電器元件散發(fā)的熱量可以通過殼體的側(cè)壁或底面?zhèn)鲗?dǎo)到外面去。然而殼體側(cè)壁往往只能有一部分與散熱體接觸，而大部分側(cè)壁則起不到散熱作用，在這種情況下可將熱管做成各種適合的形狀，使其蒸發(fā)段和散熱元件接觸，而冷凝段和殼體側(cè)壁接觸，熱量通過熱管分散到殼體各部［’］。在發(fā)熱量比較大的儀器儀表密封柜內(nèi)，往往采用強制對流散熱。其原理是在殼體內(nèi)部安裝中型風(fēng)扇，使發(fā)熱元件產(chǎn)生的熱氣體在殼體內(nèi)部循環(huán)，傳遞給小型熱管換熱器的蒸發(fā)段。熱量通過熱管傳遞到殼體外部的冷凝段，并通過風(fēng)扇散失到環(huán)境中去。用于密閉空間散熱的小型熱管換熱器有單管組合式的，也有分離式的。它有頂部安裝和側(cè)面安裝兩種形式。在密封的電器柜內(nèi)有一臺風(fēng)扇安裝在熱管蒸發(fā)段的空氣進口處，熱管將熱空氣的熱量傳至柜外散發(fā)到大氣中。熱管的冷凝段可以采用風(fēng)冷，也可以用水冷［7］。在芯片及印制板插件級的熱控制中，最典型的有原捷克斯洛伐克的布拉格數(shù)學(xué)機床研究所［-］針對印制板插件的散熱冷卻開發(fā)研制的一種扁平熱管，這種扁平熱管采用燒結(jié)銅末吸液芯（或!$$ 目銅絲網(wǎng)）和水（或甲醇）作為工質(zhì)，研究表明貼附在雙列直插件894 元件下面時可將單個元件的大部分熱量散掉，目前投入應(yīng)用的這種扁平熱管的橫截面尺寸有等。目前熱管技術(shù)在電子設(shè)備熱控制中代表性的應(yīng)用首推電腦內(nèi)芯片的散熱冷卻，傳統(tǒng)的臺式計算機和筆記本電腦的中央處理器（<4=）都使用微型風(fēng)扇和翅片來散熱冷卻，散熱量一般為& % 3(。隨著計算機技術(shù)的飛速發(fā)展，高性能的<4= 的發(fā)熱量增加了倍，今后的發(fā)熱量會越來越大，將會達到 或者更高。常規(guī)的自然散熱方式及風(fēng)扇強制散熱都難以滿足要求。熱管散熱有體積緊湊、無噪聲、高度可靠性等優(yōu)點，已成為首選的散熱手段。用于筆記本電腦散熱的熱管屬于小型熱管，熱管的外徑為, % 7 ++，內(nèi)徑一般為&: ’ % 3 ++，長度一般小于,$$ ++?？梢詮澇筛鞣N形狀［#］。小型熱管在筆記本電腦中<4= 的安裝方式以及散熱方式隨所需散熱體功率的大小而定。目前一般’ (以下散熱量的安裝在鍵盤以下，利用鍵盤板作為對外散熱的手段，另一種方式是安裝在其機盒的底板上。當!"# 的散熱量達到$ % &’ ( 時，以上的散熱方式將不能滿足要求。此時可采用鉸鏈式或強制對流式散熱。鉸鏈式的散熱方式是首先用一根熱管將!"# 熱量傳至盒蓋（顯示屏）與盒體的連接鉸鏈塊上，另一根熱管將第一根熱管傳至鉸鏈塊上的熱量傳至顯示屏背后的鋁板。實驗表明實驗元件（)!"芯片）與環(huán)境溫度的溫差為*’ +時，散熱功率可達到&’ (。強制對流散熱器方式是將!"# 的熱量傳至一塊鋁板上，鋁板上設(shè)有扁平的微型熱管，此扁平熱管再將鋁板的熱量傳遞至一帶有很多薄翅片的鋁板散熱器上（翅片厚度’- 1 ..，間距0 ..），在散熱器的前方有一個微型風(fēng)扇，將熱量排除到環(huán)境中去。臺式電腦、服務(wù)器、工作站中!"# 需要散熱的功率可達1’ % &’’ (，單個的微型熱管已不能完成這種散熱任務(wù)。近年來23456378 公司開發(fā)出一種所謂“仙人掌”（!89:3; < :=>?）式熱管［@］。這種熱管的散熱效果與冷風(fēng)的流速有關(guān)，文獻［@］中給出了流過熱管的迎面風(fēng)速和傳熱熱阻以及阻力降的關(guān)系。
近期美國)A?7.89B7? 公司又報道其推出一種專門為筆記本電腦設(shè)計的熱管，可用于主頻0’’ CDE 以上芯片的散熱［&’］。國內(nèi)熱管在電子電器設(shè)備中的應(yīng)用雖然起步較晚，但目前也取得了相當大的進展。如黃定寅［&&］設(shè)計了一種用于大功率電力晶閘管的新型熱管散熱器，在蒸發(fā)段采用軸向槽道加抑泡孔管的結(jié)構(gòu)，實驗表明此種散熱器的熱阻低達’- ’&0@ + F(；馬欽等［&0］針對&’ ’’’ 6GH 浸油變壓器采用熱管冷卻進行了設(shè)計方法的探討，并比較了與原設(shè)計的變壓器的主要性能指標；文獻［&,］介紹了&’’’ 6GH 以上的大型干式變壓器有鐵芯水平布置時熱管冷卻的效果；其后馬欽等進一步介紹了分離式熱管在小型干式變壓器上的應(yīng)用［&I］。在文獻［&1］中董東甫對熱管在國內(nèi)電力電子冷卻技術(shù)中的應(yīng)用和發(fā)展作了綜述介紹。目前國內(nèi)已經(jīng)有了J2 系列風(fēng)冷平板散熱器，KLM)、橋式整流器等模塊用熱管散熱器，螺栓型半導(dǎo)體用熱管散熱器，JN 系列自冷平板型熱管散熱器和各種組合式熱管散熱器等等，并且發(fā)布了相應(yīng)的一些行業(yè)標準［&*］。但國內(nèi)熱管在電子電器設(shè)備中的應(yīng)用主要集中在大功率電器設(shè)備的散熱冷卻方面，在微電子設(shè)備中的應(yīng)用仍十分薄弱。
2 國內(nèi)外基礎(chǔ)研究現(xiàn)狀及發(fā)展
由于電子與電器設(shè)備散熱冷卻主要是間接方式，比較理想的是冷板結(jié)構(gòu)，考慮到其它結(jié)構(gòu)形式的熱管研究總結(jié)已有文獻作了報道［&$］。下面主要對熱管式冷板的研究做一介紹。已有傳統(tǒng)的冷板根據(jù)其結(jié)構(gòu)形式可分為氣冷、液冷式冷板等，隨著高熱流密度散熱冷卻要求的提出，熱管式冷板得到大家的廣泛關(guān)注和重視。其應(yīng)用基礎(chǔ)研究目前較為集中在它的性能試驗與數(shù)值模擬分析方面［&O % 0,］。
但總的說來這方面的研究文獻還很少，這方面工作最為突出的是P- (8QR 和S- G8T85 等人針對一種平板熱管及變化結(jié)構(gòu)進行了詳細的理論分析和試驗研究［&O % 00］，通過試驗表明它能夠適應(yīng)(F 9.0 高熱流密度的工況，進一步通過數(shù)值模擬建立平板熱管的啟動和關(guān)閉時的數(shù)學(xué)模型，分析求解了平板熱管的啟動和關(guān)閉的瞬態(tài)溫度場分布性能，發(fā)現(xiàn)輸入熱流密度、壁面和毛細芯厚度和熱輸入形式是影響熱管穩(wěn)定工作時間的主要因素。國內(nèi)南京化工大學(xué)熱管技術(shù)開發(fā)研究院和浙江大學(xué)等研究機構(gòu)也對平板熱管進行了研究和試驗，李菊香［0I］的研究得出熱管式均熱平板在厚度方向上布置的圓孔通道，其孔徑越小，孔間距越小，工作表面上的最大溫差越??；蔣金柱、莊駿［01］設(shè)計了一種高導(dǎo)平板熱管，采用加強筋增強平板的承壓能力，并通過實驗發(fā)現(xiàn)接觸傳熱溫差是傳熱溫差的主要部分；牟其崢［0*，0$］等針對矩形流動通道的平板熱管進行了傳熱性能的試驗研究，同時對其建立了數(shù)值模型，采用!2U 軟件進行了計算，發(fā)現(xiàn)蒸汽流動呈拋物線型分布，并隨流速的增加，在汽液交界面處會出現(xiàn)蒸汽局部回流現(xiàn)象。胡幼明［0O］針對一種新型平板熱管進行了理論建模分析及金屬絲網(wǎng)表面沸騰的實驗研究；陸耶耶對一種新型圓板熱管特性進行了模擬及研究。目前為縮短產(chǎn)品的研制周期，提高市場競爭力，熱與流體模擬的熱分析技術(shù)已逐步成為電子電器設(shè)備熱設(shè)計的必需手段。許多著名的商用結(jié)構(gòu)分析和!2U 軟件均能（ 或配有專用模塊）對電子電器設(shè)備中的流動及溫度場分布進行分析。但由于目前對于平板式熱管冷板尚無成熟的理論分析模型，已有的文獻報道一般只是就單根熱管劃分為單個的相區(qū)間，針對汽液界面上的剪切力來進行模擬，對于數(shù)學(xué)模型中的一些系數(shù)的確定還沒有統(tǒng)一，因此這方面的工作還有待深入研究。
熱設(shè)計論文下載：電子電器設(shè)備中高效熱管散熱技術(shù)的研究現(xiàn)狀及發(fā)展.pdf
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