CPU芯片熱管散熱器設(shè)計(jì)方案 

設(shè)計(jì)的概述  

設(shè)計(jì)一個(gè)熱管之前，要針對(duì)設(shè)計(jì)熱管規(guī)格，先思考幾個(gè)問(wèn)題：選擇使用工質(zhì)，選擇管材，選擇毛細(xì)結(jié)構(gòu)。因?yàn)檫@些因素決定至 后，便已經(jīng)限制你設(shè)計(jì)的熱管的性能，而且這幾個(gè)因素還需要互相搭配，例如要使用水為工質(zhì)時(shí)，管材的選擇就必須要與水不會(huì)發(fā)生反應(yīng)的材質(zhì)，另外，有些材質(zhì)無(wú)法使用燒結(jié)的毛細(xì)結(jié)構(gòu)來(lái)制作熱管，這都是需要事先考量的，我們?cè)谝韵路终f(shuō)明：

選擇工質(zhì)      

一般選擇熱管工質(zhì)所要考慮的因素，除了熱管操作溫度范圍、高熱傳量與低熱阻，還需考量工質(zhì)與管殼及毛結(jié)構(gòu)的兼容性。      1.操作溫度：選擇沸點(diǎn)在操作溫度附近的工質(zhì)才能使其順利在熱管內(nèi)部進(jìn)行蒸發(fā)和凝結(jié)，若操作溫度略低于工質(zhì)沸點(diǎn)時(shí)，也可降低管內(nèi)壓力使其易于蒸發(fā)。而凝固點(diǎn)則必須低于最低操作溫度，以防止工質(zhì)凝固?？紤]應(yīng)用于計(jì)算機(jī)之微熱管，其操作溫度范圍約在40~100℃間，     2.熱傳量：工質(zhì)的表面張力大，在熱管內(nèi)部液體流動(dòng)過(guò)程中產(chǎn)生的毛細(xì)力便增加，有助于液體的回流；汽化潛熱大，表示單位質(zhì)量吸收或釋放的熱量大，即熱傳量增加；液體黏滯系數(shù)小，在流動(dòng)過(guò)程中阻力便降低，同樣有助于液體的回流。這些工質(zhì)的特性，都會(huì)直接或間接影響熱管熱傳量，我們可以用Merit Number : 來(lái)表示工質(zhì)傳輸特性表示工質(zhì)液體傳輸能力越大，熱管的熱傳量也越大。為應(yīng)用于計(jì)算機(jī)的熱管操作溫度下，可選用工質(zhì)之溫度與 的關(guān)系圖。圖中可以發(fā)現(xiàn)水較其它適用的工質(zhì)約大了一個(gè)數(shù)量級(jí)數(shù)，而Flutec PP2與Flutec PP9則明顯太小而不適用。 

                         工質(zhì)之溫度與M的關(guān)系圖 

3.熱阻：一定蒸汽壓降下，蒸汽溫差小的工質(zhì)使熱管的軸向熱阻較小。其次，徑向熱阻方面，對(duì)于本實(shí)驗(yàn)操作溫度下適用的工質(zhì)，導(dǎo)熱系數(shù)都較低，溫差主要取決于工質(zhì)液體在毛細(xì)結(jié)構(gòu)層中是否發(fā)生沸騰。針對(duì)本實(shí)驗(yàn)使用燒結(jié)層為毛細(xì)結(jié)構(gòu)時(shí)，沸騰產(chǎn)生的蒸汽容易受到液膜阻礙而在燒結(jié)層內(nèi)增加徑向熱阻，因此應(yīng)選擇較不易發(fā)生沸騰的工質(zhì)。      4.管殼與毛細(xì)結(jié)構(gòu)的兼容性：與管殼或毛細(xì)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生化學(xué)變化的工質(zhì)是不能采用的。因此在選擇工質(zhì)時(shí)，也應(yīng)與管殼同時(shí)考量。前人針對(duì)兼容性做過(guò)許多實(shí)驗(yàn)，為適合本實(shí)驗(yàn)操作溫度下之工質(zhì)，其與材質(zhì)兼容性之試驗(yàn)結(jié)果。

     管殼材料的選擇    

     一般而言，應(yīng)用于計(jì)算機(jī)的熱管除了必須有足夠的熱傳量，也必須盡量降低其熱阻。因此，在選擇管壁方面，必須選擇傳導(dǎo)率較高的材質(zhì)，尤其對(duì)于管徑較小的熱管，管壁的傳導(dǎo)率往往決定了熱阻大小?；谶@個(gè)因素，一般管壁可選擇無(wú)氧銅。其特性是熱傳導(dǎo)率高，這將更有助于達(dá)到降低熱阻的效果。此外，管壁材料的選擇還必須考慮焊接時(shí)的氣密性，擠壓性良好的無(wú)氧銅在制造上將有助于保持內(nèi)部低壓的狀態(tài)。最后，燒結(jié)時(shí)爐內(nèi)部通氫氣，無(wú)氧銅在這種還原氣氛中，即使加熱至高溫亦不至于引起氫脆化現(xiàn)象。 5.4 毛細(xì)結(jié)構(gòu)之選擇      在毛細(xì)結(jié)構(gòu)選擇方面，一般較小尺寸的熱管通?？紤]使用單一結(jié)構(gòu)，包括溝槽式、網(wǎng)目式及燒結(jié)式。本論文之所以選擇燒結(jié)式，是因?yàn)闊Y(jié)所產(chǎn)生的有效毛細(xì)半徑很小，毛細(xì)力遠(yuǎn)大過(guò)于溝槽所產(chǎn)生的毛細(xì)力；而熱阻方面，相較于網(wǎng)目式貼附于管壁不易緊密的缺點(diǎn)，燒結(jié)式熱管所產(chǎn)生的熱阻較網(wǎng)目式更低。 熱管之設(shè)計(jì)規(guī)格      我們以圖的熱管規(guī)格為例，其相關(guān)的參數(shù)表中所示。

       為了制作適用于計(jì)算機(jī)內(nèi)部的熱管規(guī)格，管徑不宜過(guò)大；而過(guò)小的管徑也會(huì)造成熱傳量大幅降低，無(wú)法合乎要求。根據(jù)目前計(jì)算機(jī)尺寸的設(shè)計(jì)，熱管管徑在內(nèi)部?jī)H能占約3mm，因此在有限的外徑下，增加管內(nèi)徑將有助于熱傳量的提升。但在減少管壁厚度的同時(shí)，必須考慮到熱管在操作時(shí)必須承受約一大氣壓的壓力差，管壁過(guò)薄將使結(jié)構(gòu)上向內(nèi)變形。對(duì)于純銅的圓管在100℃時(shí)，平

均直徑與管壁厚度的比值必須小于79。若平均直徑為3mm，則管壁必須大于0.038mm。因此，本實(shí)驗(yàn)在管壁設(shè)計(jì)上并不太需要考慮這個(gè)問(wèn)題，反而是抽制銅管時(shí)，一般能抽到最薄的程度是多少。目前市面上常見(jiàn)到的熱管，管壁大約都在0.3mm，故本實(shí)驗(yàn)選取無(wú)氧銅管C1020T，外徑3mm，壁厚0.3mm，長(zhǎng)度200mm。特別一提的是，熱管長(zhǎng)度的設(shè)計(jì)上，隨計(jì)算機(jī)廠商設(shè)計(jì)熱模塊型式的不同而有不同的需求長(zhǎng)度，在實(shí)驗(yàn)中訂定200mm是考慮其為較一般使用的長(zhǎng)度。  燒結(jié)層方面的尺寸設(shè)計(jì)，主要根據(jù)理論分析而來(lái)。燒結(jié)層會(huì)影響熱管性能的因素主要包括燒結(jié)層厚度、孔隙度與粉末粒徑。設(shè)計(jì)上，我們只能決定燒結(jié)層厚度與粉末粒徑，而孔隙度在實(shí)驗(yàn)上目前是無(wú)法控制的變因，僅能在燒結(jié)后將其量測(cè)出來(lái)。      一般而言，熱管在計(jì)算機(jī)的熱模塊上，熱阻遠(yuǎn)比其它接觸面產(chǎn)生的熱阻要小很多，一味降低熱管的熱阻對(duì)于最后熱模塊合計(jì)產(chǎn)生的熱阻幾乎沒(méi)有多大作用，因此這部分設(shè)計(jì)上還是盡量只考慮熱傳量的因素。視密度較低的粉末意味著當(dāng)自然填粉時(shí)，造成的空孔較多，燒結(jié)后的孔隙度也較大。一般而言，電解粉較球狀粉末有較低的視密度，故選擇粉末時(shí)采用電解針狀粉。因?yàn)楸緦?shí)驗(yàn)在填粉過(guò)程中是采用讓粉末自然堆積的方式，一旦形狀選擇后，孔隙度就大致決定了，而能再改變最大熱傳量及熱阻的因素就只剩燒結(jié)層厚度及粉末粒徑。由于使用針狀粉末堆積，在計(jì)算時(shí)與球狀堆積結(jié)果會(huì)有不同，但趨勢(shì)則大致是相同的。

          熱管介質(zhì)的選取

熱管工作流體 工作流體的選擇  

熱管是靠殼體內(nèi)工作流體的相變和流動(dòng)過(guò)程中質(zhì)量的轉(zhuǎn)移傳送熱量的。工作流體的各種性能對(duì)熱管工作特性有重要的影響。工作流體的選擇除考慮工作溫度適應(yīng)范圍外，還應(yīng)考慮的問(wèn)題是工質(zhì)與熱管材質(zhì)間的相容性及工質(zhì)的熱穩(wěn)定性  工質(zhì)與材質(zhì)之間一旦不相容將導(dǎo)致熱管的性能壞或失效，要求工質(zhì)在工作溫度范圍內(nèi)不變質(zhì)、發(fā)生化學(xué)反應(yīng)和分解反應(yīng)，不產(chǎn)生不凝結(jié)氣體和錠物等。由于低溫?zé)峁茉诔叵绿幱诔R界狀態(tài)，求熱管材質(zhì)必須能夠承受足夠的內(nèi)壓力，一般低溫?zé)峁芏际遣捎貌讳P鋼ICrl8Ni9Ti。這種材料能夠滿低溫?zé)峁苄枰惺艿膲毫?/span>(除了氫氣能使不銹鋼生氫脆現(xiàn)象外)，是一種普遍使用的熱管材質(zhì)。

 工質(zhì)的物性 

熱管的毛細(xì)極限傳熱量是隨工質(zhì)的品質(zhì)因數(shù)N(N=ρ ισr ／μτ)增大而增大 的，該因數(shù)是反映工質(zhì)性對(duì)熱管軸向傳熱能力的影響。因此，要求工質(zhì)汽化潛熱和表面張力要大，粘度要低，潤(rùn)濕性能好，從而使工質(zhì)的品質(zhì)因數(shù)N提高，并從物性上為管的優(yōu)良傳熱性能提供保證。低溫?zé)岷缥懿缓?xì)芯結(jié)構(gòu)，品質(zhì)因數(shù)對(duì)熱虹吸管性能的影響沒(méi)有含吸液芯的熱管影響那么大，但是低溫?zé)岷缥苓x擇工質(zhì)時(shí)還是應(yīng)盡量選擇潛熱大、導(dǎo)熱系數(shù)高、濕性好的工質(zhì)作為工作流體。  另外，工質(zhì)的液一汽密度比值也是一個(gè)不可忽韻因素。這對(duì)熱管內(nèi)部的設(shè)計(jì)帶來(lái)很大的影響，為熱管橫截面積是由該密度比值所決定。一般來(lái)說(shuō)，低溫?zé)峁苤械囊后w流動(dòng)面積比采用其它工質(zhì)的動(dòng)面積要大。如果液膜太厚的話，由于低溫流體導(dǎo)熱系數(shù)很低，會(huì)大大增加熱管徑向的溫度梯度。

 安全及經(jīng)濟(jì)性  

選擇工質(zhì)時(shí)除考慮上述因素外，還應(yīng)考慮安全性及經(jīng)濟(jì)性。低溫?zé)峁苡捎谠诔丨h(huán)境存放時(shí)其工質(zhì)溫度已超過(guò)臨界點(diǎn)，熱管殼體內(nèi)壓力很大，因此在設(shè)計(jì)熱管時(shí)可選用ρι／Mg較小的工質(zhì)，以減小存放時(shí)的內(nèi)壓。對(duì)于以傳熱為主的熱管，盡量不采用易燃、易爆和有毒的工質(zhì)。熱管的成本也是需要考慮的重要因素。盡管熱管中所用的工質(zhì)數(shù)量較少，但是由它所確定的管殼及管芯材料對(duì)熱管的成本影響很大。

熱管介質(zhì)的選取對(duì)比試驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)  實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)由熱水系統(tǒng)、測(cè)試小室真空系統(tǒng)、散熱器真空系統(tǒng)、溫度控制系統(tǒng)、參數(shù)測(cè)量系統(tǒng)等五個(gè)子系統(tǒng)組成。  散熱器熱媒供回水溫度由WMY-01B數(shù)字溫度計(jì)測(cè)定，流量由LZB-15浮子流量計(jì)和臺(tái)秤測(cè)定，散熱器表面溫度由銅-康銅熱電偶和UJ-36型攜帶式電位差計(jì)測(cè)定，熱虹吸散熱器內(nèi)部壓力由Z-60型真空壓力表測(cè)定，另外記錄時(shí)間的秒表一支，全部測(cè)試儀器、儀表經(jīng)過(guò)校定，散熱器表面熱電偶。  本實(shí)驗(yàn)選用目前普遍使用的銅制柱型散熱器為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，為了比較，同時(shí)作了常規(guī)散熱器實(shí)驗(yàn)和不同工質(zhì)的散熱器實(shí)驗(yàn)。  熱管工質(zhì)的熱物理特性對(duì)熱虹吸管的熱工性能有著關(guān)鍵性的影響，熱管是依靠工作液體的相變來(lái)傳遞熱量的，其選擇一般應(yīng)考慮以下一些原則[1]：  1.工作液體應(yīng)適應(yīng)熱管的工作溫度區(qū)，并有適當(dāng)?shù)娘柡驼羝麎海?/span> 2.工作液體與殼體、吸液芯材料應(yīng)相容，且應(yīng)具有良好的熱穩(wěn)定性； 3.工作液體應(yīng)具有良好的綜合熱物理性質(zhì)，要求液體的輸運(yùn)因素大； 4.其他，包括經(jīng)濟(jì)性、毒性、環(huán)境污染等。

  實(shí)驗(yàn)測(cè)試方法

  每一測(cè)試周期為60分鐘，每次測(cè)試前系統(tǒng)熱平衡時(shí)間45分鐘。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，為了便于與常規(guī)散熱器進(jìn)行性能比較，通過(guò)調(diào)整熱媒流量的辦法使各實(shí)驗(yàn)散熱器的表面平均溫度對(duì)應(yīng)熱媒進(jìn)水溫度的變化基本一致；另外，對(duì)于散熱器，工質(zhì)灌注量為1250ml。測(cè)試數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)整理后，如圖所示，圖例說(shuō)明中，“常規(guī)”、“水”、“R11”、“甲醇”、“丙酮”分別指常規(guī)散熱器和熱管工質(zhì)相應(yīng)為水、R11、甲醇、丙酮的散熱器，括號(hào)中數(shù)值為各種實(shí)驗(yàn)散熱器相應(yīng)的熱媒流量。

 測(cè)試結(jié)果分析

                表面平均溫度隨熱煤進(jìn)水溫度變化

                散熱器總散熱量隨熱媒進(jìn)水溫度變化

                          輻射放熱百分比隨進(jìn)水溫度變化

依據(jù)熱管原理，分析數(shù)據(jù)，可以得出一些具有重要工程指導(dǎo)意義的結(jié)論：      1.散熱器的放熱能力及常規(guī)散熱器。   對(duì)于同樣的熱媒進(jìn)水溫度，熱管要達(dá)到與常規(guī)散熱器相同的表面溫度，水、甲醇、丙酮工質(zhì)熱虹吸散熱器對(duì)應(yīng)的熱媒流量需要分別增大到約3.54倍、3.44倍、3.26倍；而對(duì)于R11工質(zhì)熱吸散熱器，實(shí)驗(yàn)中，考慮到散熱器內(nèi)壓力太大，熱媒流量較小，散熱器表面平均溫度相應(yīng)較低；各種工質(zhì)散熱器的散熱量明顯低于常規(guī)散熱器。

散熱器屬于“二次換熱”，總的傳熱熱阻比常規(guī)散熱器大，使得以外表面計(jì)算的總傳熱系數(shù)下降；受結(jié)構(gòu)的局限，散熱器“蒸發(fā)段”傳熱面積遠(yuǎn)小于“冷凝段”傳熱面積，因而其傳熱能力主要取決于熱媒管與工質(zhì)之間的熱阻。另有研究表明，強(qiáng)化熱媒與工質(zhì)之間的換熱可以提高熱虹吸散熱器總傳熱系數(shù)30%以上。   2.吸散熱器具有與常規(guī)散熱器相反的表面溫度均勻性特性。   常規(guī)散熱器表面溫度不均勻，存在明顯的“熱區(qū)”和“冷區(qū)”，熱媒出口附近散熱器表面測(cè)試溫度值明顯低于熱媒進(jìn)口附近的測(cè)試溫度值，散熱器表面溫度標(biāo)準(zhǔn)偏差數(shù)據(jù)比R11、甲醇、丙酮工質(zhì)散熱器相應(yīng)數(shù)值高得多，而且其數(shù)值隨著熱媒溫度的升高而加大；R11、甲醇、丙酮工質(zhì)熱虹吸散熱器表現(xiàn)出良好的表面溫度均勻性特性，但水工質(zhì)散熱器在熱媒進(jìn)水溫度低于88℃時(shí)，散熱器表面溫度標(biāo)準(zhǔn)偏差值與常規(guī)散熱器不相上下，熱媒進(jìn)水溫度88℃后，水工質(zhì)散熱器表現(xiàn)出良好的表面溫度均勻性；隨著熱媒進(jìn)水溫度的升高，各種實(shí)驗(yàn)工質(zhì)散熱器的表面溫度均勻性越顯著。   對(duì)于常規(guī)散熱器，熱媒溫度越高，進(jìn)、出口端受熱不均勻越顯著，相應(yīng)進(jìn)、出口端散熱器表面溫度的不均勻性也越明顯；而對(duì)于散熱器，表面溫度不均勻是工質(zhì)蒸汽不均勻分布和殘存不凝性氣體阻止蒸汽凝結(jié)放熱引起的。沿?zé)崦焦荛L(zhǎng)度方向，工質(zhì)在熱媒入口端比出口端沸騰強(qiáng)烈，常規(guī)散熱器片式或柱式結(jié)構(gòu)形式阻礙了熱虹吸工質(zhì)在散熱器內(nèi)部的橫向流動(dòng)，導(dǎo)致散熱器表面溫度的不均勻性，隨著散熱器的溫度升高，不凝性氣體的影響相對(duì)減弱，散熱器的表面溫度均勻性進(jìn)一步改善，另外，開(kāi)發(fā)有利于工質(zhì)蒸汽在散熱器內(nèi)部均勻分布的散熱器結(jié)構(gòu)形式，可進(jìn)一步克服沿?zé)崦焦芊较蚬べ|(zhì)不均勻受熱造成的表面溫度不均勻現(xiàn)象。                                         3.適當(dāng)?shù)娘柡驼羝麎悍秶沁x擇熱散熱器工質(zhì)的重要決定因素。 

  熱管散熱器主要依靠工作液體的相變來(lái)傳遞熱量，工作液體應(yīng)具有良好的綜合熱物理性質(zhì)，要求液體的輸運(yùn)因素大，并有適當(dāng)?shù)娘柡驼羝麎?；與經(jīng)典熱管不同的是，熱熱管沒(méi)有吸液芯結(jié)構(gòu)，凝結(jié)液在重力作用下回流，其最大傳熱能力主要受限于攜帶極限，而本研究中作為散熱器形式的常溫重力熱吸管，內(nèi)腔相對(duì)開(kāi)闊，上升蒸汽流對(duì)壁面回流冷凝液的影響并不顯著，工作溫度區(qū)域內(nèi)適當(dāng)?shù)娘柡蜌鈮猴@得更為重要。  適當(dāng)?shù)娘柡驼羝麎菏菬峁茉谕ǔ崦綔囟确秶鷥?nèi)正常啟動(dòng)的條件，實(shí)驗(yàn)中，R11、丙酮、甲醇、水工質(zhì)的熱虹吸散熱器的啟動(dòng)溫度依次提高也說(shuō)明了這一點(diǎn)；另外，過(guò)高、過(guò)低的飽和蒸汽壓，以及散熱器運(yùn)行時(shí)內(nèi)部大跨度的壓力變化還給工程運(yùn)用帶來(lái)工藝實(shí)現(xiàn)上的困難；所以，水、R11不宜作為一般供暖熱散熱器工質(zhì)；而甲醇、丙酮工質(zhì)散熱器內(nèi)的壓力則在大氣壓附近變化，是較理想的選擇。  盡管水有很高的輸運(yùn)因素，測(cè)試數(shù)據(jù)表明，水工質(zhì)散熱器的熱工性能并不優(yōu)越，特別是熱媒流量較小或熱媒溫度較低時(shí)，傳熱量較小，散熱器在較低溫度下運(yùn)行，這時(shí)飽和氣壓很低，蒸汽非常稀薄，凝結(jié)放熱量小，散熱器性能不佳。   4.殘存不凝性氣體對(duì)熱散熱器熱工性能有關(guān)鍵性不利影響。  由于工藝上的局限，散熱器內(nèi)必然不同程度地殘留一定量的空氣等不凝結(jié)性氣體，對(duì)熱散熱器的熱工性能帶來(lái)不利影響，這種影響在工質(zhì)飽和蒸汽壓較低時(shí)尤其顯著，也從另一個(gè)方面說(shuō)明了水不宜作為一般供暖熱管工質(zhì)。  不凝結(jié)性氣體存在，導(dǎo)致啟動(dòng)溫度上移，在熱媒溫度較低或熱媒流量不足時(shí)，散熱器不能啟動(dòng)，因而不能供熱，實(shí)驗(yàn)中，水工質(zhì)的熱管在熱媒溫度較低時(shí)啟動(dòng)困難也說(shuō)明了這一點(diǎn)。

  由于不凝結(jié)性氣體在散熱器內(nèi)壁面形成氣膜，阻礙蒸汽的凝結(jié)放熱，導(dǎo)致吸效果惡化，在熱功率較小時(shí)甚至導(dǎo)致熱吸現(xiàn)象停止，散熱器性能大大降低或破壞，實(shí)驗(yàn)中，水工質(zhì)熱吸散熱器在熱媒溫度較低時(shí)，熱工性能并不優(yōu)越也說(shuō)明了這一點(diǎn)，但是，當(dāng)熱媒進(jìn)水溫度超過(guò)88℃以后，水工質(zhì)散熱器熱工性能顯著改善，因?yàn)殡S著散熱器的溫度升高，飽和蒸汽壓提高，不凝性氣體的影響相對(duì)減弱。   5.綜合各種實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)既考慮到經(jīng)濟(jì)性，選取常見(jiàn)的甲醇作為熱管的傳導(dǎo)介質(zhì)較為恰當(dāng)。