用于电子器件冷却的热管散热器实验研究与优化数值模拟
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（ 津 商 业 大 学 天津 市 制 冷 技 术 重 点 实验 室 天 津 天 ３０ ３ ） ０ １４
摘 要 ： 高热流 密度 器件 的 热控 制在 Ｃ Ｕ 结构 体 系由单 一 芯 片 向 多核 芯 片发 展 中 占有 重 要 地 Ｐ 位 。对 平板型 热管散 热器与普 通散 热器 的传 热性 能进行 了比较 研 究 与计 算分 析 。研 究结 果表 明 ， 热
（ ｉｎｉ Ｋ ｙＬ ｂ ｒｔ ｙｏ Ｒ ｆ ｇ ｒｔ ｎＴ ｃ ｎ ｌ ｙＴ ａ ｊ ｎｖｒｉ ｆＣ ｍ ｅｃ ，Ｔａ ｊ ０ １ ４ Ｃ ｉａ Ｔ ａｊ ｅ ａ ｏ ｏ ｆ ｅ ｉ ａｉ ｅ ｈ ｏｏ ｉ ｉ Ｕ ｉ ｓ ｙｏ ｏ ｍ ｒｅ ｉ ｉ ３ ０ ３ ， ｈｎ ） ｎ ａ ｒ ｒｅ ｏ ｇ ｎｎ ｅ ｔ ｎｎ
一
２ ２ 当 量 导 热 系数 ．
由于平面 热管 与散 热器 底板 为一体 ， 以平板 热 所 管散 热器 导热 系数 的确定 不 适 宜 用 傅立 叶导 热 公式 进行求 解 。本 文 旨在 研究 散 热 器 对 芯 片宏 观 的冷却 效率 ， 不讨 论热 管 内部 复 杂 的 传 热过 程 ， 采 用 当量 故 导热 系数来 估测 平 板 热 管 散 热 器 的性 能 。其 表 达式
关键 词 ： 高热流 密度 器件 热控 制 Ｃ Ｕ 平 面热 管 散 热器 Ｐ 中图分类 号 ：Ｂ ５ Ｔ ６７ 文献 标识码 ： Ａ 文章 编号 ：０ ０６ １ （ ０ ０ ０ －０ ６０ １ ０ ．５ ６ ２ １ ）３０ ５ －５
Ｅｘ ｒ ｍ ｅ ｔ ｌｓ ｕ ｙ ａ ｄ ｎｕ ｅ ｉ ａ ｉ ｕ ａ ｉ ｎ ｏ ｔｍ ｉ ａ ｉ ｎ ｏ ｐｅ ｉ ｎ ａ ｔ ｄ ｎ ｍ ｒｃ ｌｓｍ ｌ ｔｏ ｐ ｉ ｚ ｔｏ ｆ
ａｙ ｅ ｎ ｔ ｅ ｐ ｒｏ ｍａ ｃ ｆｔ ｅ ｆ ｔｐ ａｅ ｈ ａ ｐ ａ ｉ ｔｒａ ｄ ｔ ｅ ｇ ｎｅ ａ ａ ｉ ｔｒ Ｔ ｅ ｕ ｔ ｈ ｗ ｈ ｔ ｌｚ ｄ ｏ ｈ ｅｆ ｒ ｎ ｅ ｏ ｈ ａ ｌ ｔ ｅ ｔｐｉｅ ｒ ｄ ａｏ ｎ ｈ ｅ ｒ ｌｒ ｄ ａｏ ． ｈｅｒ ｓ ｌｓｓ ｏ ｔ ａ ｉ ｌ ａ ｅ ｈ ａ ｉ ｅ ｒ ｄ ａｏ ａ ｆ ｔｖ ｌ ｍｐ ｏ ｅ ｔ ｅ ｃ ｏｉ ｇ ｐ ｒｏ ｍ ｎ ｅ ｔ ｓ ａ ｋ ｙ ｔ ａ ｎ ａ ｃ ｓ ｔ ｅ ｆ ｔｐｌｔ ｅ ｔｐ ｐ ａ ｉ ｔｒｃ ｎ ｅｆｃｉ ｅｙ ｉ ｒ ｖ ｈ ｏ ｌｎ ｅｆ ｒ ａ ｃ ． Ｉ ｉ ｅ ｈ ｔｅ ｈ ｎ ｅ ｈ ａ ｅ ｈ ａ ｆ ｒ ｄａ ｏ ｏ ｒ Ｉ ｓ ｒ ｐ ｓ ｄ ｔ ａ ｑ ｉａｅ ｔ ｈ ｒ ｌ ｃ ｎ ｕ ｔ ｉ ｔ ｖ ｌ ａ ｅ ｈ ｆｅ ｔ ｏ ｅ ｔ ｅ ｔｏ ａ ｉｔｒ ｆ ｏ ． ｔｈａ ｐ ｏ ｏ ｅ ｈ ｔｅ ｕ ｖ ｌｎ ｔ ｅ ｍａ ｏ ｄ ｃｉ ｔ ｏ ｅ ａｕ ｔ ｔ ｅ ｅｆ ｃ ｆ ｈ ａ ｌ ｖｙ ｔａ ｆｒ Ａｃ ｏ ｄ ｎ ｏ ｔ ｅ ｃ ａ ａ ｔｒｓｉｓ ｏ ｒ ｎｓｅ ． ｃ ｒ ｉ ｇ ｔ ｈ ｈ ｒ ｃ ｅ ｉｔｃ ｆＣＰＵ ，ｔ ｅ ｅ ｕ ｖ ｌ ｎ ｈ ｒ ｌｃ ｎ ｕ ｔｖｔ Ｓｒ ｆ ｒ ｃ ｎ ｓｇ ｉ － ｈ ｑ ｉａｅ ｔｔ ｅ ｍａ ｏ ｄ ｃｉｉｙ’ ｅｏ ｍ ａ ｉｎ ｆ ｉ
ＨＨ 前 —
其 中底 板热 阻 可以表 示为 ：
ｂ ： ａ ｓ
：
‘ ）
（） ２
—
其 中 ： 为底 板 热 阻 ， ／ Ｔ 为 底板 下 表面 Ｒ Ｋ Ｗ； 平 均温 度 ， Ｔｐ Ｋ； ｏ 为底 板上 表面 平均 温度 ， Ｑ为加热 Ｋ；
量， 。 Ｗ
点， 分析 了热 管 导 热 效 率 及 模 拟 Ｃ Ｕ尺 寸 对 平 板 热 Ｐ
板 ， 通过 导 热 作 用 将 热 量 传 给 翅 片 ， 后 由空 气 再 最 将 热 量 带走 。直 接 测 试 的 主要 参 数 有 ： 拟 芯 片 发 模
２１ ０ ０年第 ３期 总第 １５期 ７
低 温 工 程
ＣＲＹＯＧＥＮＩ ＣＳ
Ｎｏ ３ ２ ０ ． ０１
Ｓ ｍ Ｎｏ ７ ｕ ．１ ５
用 于 电 子 器 件 冷 却 的 管 热 器 热 散 实 验 研 究 与 优 化 数 值 模 拟
陆佩 强 诸 凯 刘 建 林 杨 爱 田金颖
同 的热流 密度 。铜 柱 内 埋 人 两 对 热 电 偶 Ｔ 、 热 Ｔ ；
电偶 Ｔ 埋 入位 于 Ｔ型 铜柱 顶部 模 拟芯 片 的中心 ， 用
图 １ 平 板 热 管散 热 器
Ｆｉ １ Ｆｌ ｌ ｅ ｈｅ ｉ ａ ａｔ ｒ ｇ． ａｔ ｐ ａｔ ａｔ ｐ ｐｅ ｒ ｄｉ ｏ
管散 热器有效提 高 Ｃ Ｕ芯 片散 热性 能 ， 关键是 强化 了散 热 器底 板 的传热性 能 。科 学提 出用 当量 导 Ｐ 其
热 系数 的 概 念 来 评 价 换 热 器 强 化 传 热 效 果 的 方 法 ， 据 Ｃ Ｕ 芯 片 的 发 热 特 点 提 高 散 热 器 的 当 量 导 热 根 Ｐ 系数 可 明 显 提 高散 热 器 的 均 温 性 ， 此提 高其 换 热 效 率 。 以
可用下ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ式表 示 ：
问 题 并 发 表 了 许 多 研 究 报 告 Ｉ 。 国 内 学 者 对 不 ２
同管壁 材料 和槽 道结 构 的 ３个 平 板 小 型热 管进 行 了 实验研 究 ， 研究 了工 质 充 液 率 ， 凝 方 式 等 对 热管 性 冷
能 的影 响 。华 中科 技 大学 用 无 量 纲 形式 对 平 板 热
现代 电子设 备正 在迅速 地 向高集成度 、 高密度 组
装、 高速 度运行 方 向发 展 。作 为 电子 芯 片 ， 由于其 集
收稿 日期 ：０ ００ —０ 修 订 日期 ：０ ００ —８ ２１－ ２ ； ３ ２ １ －６０ 作 者 简 介 ： 佩 强 ， ，１ ， 程 师 。 陆 男 ５ 岁 工
管流 动与传 热特 性进 行 了理论 分析 ， 要分 析 了平板 主
热管蒸 发段 ， 冷凝 段 的气 相 速 度 ， 相 速度 和压 降 分 液
布 。 目前对 新一 代 高性 能 服 务 器 的冷 却 应 考 虑 改 善热结 合层 温度 及冷 却效 果 ， 或者通 过采 用 高导热 相 变设 备嵌 入 到集 成 散 热 器 内 。本 文从 实 际应 用 的角 度 对平 板热 管散 热 器 导 热性 能 进 行 实 验 研 究 。在 此 基 础上 ， 一 步 针 对 平 板 热 管 散 热 器 底 板 的 导 热 特 进
到 铜 质 散 热 器 底 面 。 散 热 器 的 外 观 如 图 １所 示 。 散 热 器 参 数 如 表 １所 示 。
３ 实 验 研 究
３ １ 买 验 装 置 ．
自行 搭建 的 实验 台 对 平板 热 管 散 热 器 的散 热 性能 进行 了实 验 研 究 。实 验 装 置 如 图 ３所 示 。采 用 直流 硅热 源对 Ｔ型 发 热铜 柱 进行 加 热 以模 拟芯 片 不
ｃ ｎｌ ｍ ｐ ｏ ｅ ｔ ｅ ｔｍ ｐ ｒ ｔ ｒ ｆｔｅ ｒ ｄａ ｏ ｎ ａ ｒ ｎ ｆ ｒｅ ｃｅ ｃ ． ａ ｔ ｉ ｒ ｖ ｈ ｅ ｅ ａｕ ｅ ｏ ｈ ａ ｉｔｒａ ｄ ｈｅ ｔｔａ ｓｅ ｆ ｉｎ ｙ ｙ ｉ
Ｋ ｅ ｏ ｄｓ：ｈｉｈ ｈ ａ ｕ ｑ ｉ ｙｗ ｒ ｇ ｅ ｔｆ ｘ ｅ ｕｐｍｅ ｔ ｈ ｒ ｌｃ ｎ ｒ ｌ ＣＰ ；ｆａ ｌｔ ｅ ｔｐｐｅ；ｒ ｄ ａｏ ｌ ｎ ；ｔ ｅ ｍａ ｏ ｔｏ ； Ｕ ｌ ｔｐａ ｅ ｈ ａ ｉ ａ ｉｔｒ
以测 量 模 拟 芯 片 的 温 度 。 由 风 机 提 供 不 同 流 速 的
气 流 对 散 热 器进 行 冷 却 。发 热 芯 片 的 散 热 过 程 为 ：
芯 片热 量 通 过 热 结 合 层 Ｔ Ｍ 传 递 到 平 面 热 管 散 热 Ｉ
表 １ 实验 用散 热器 参数
Ｔａ ｅ １ Ｒａ ａ ｏ ｂｌ ｄｉ ｔ ｒ ｐａｒ ａｍ ｅ ｅ ｓ ｔｒ
ｈｅ ｔｐ ｐｅ ｒ ｄｉ ｔ ｒ ｏ ｌ ｃ ｒ ｎｉ ｖ ｃ ｓ ｃ ｏ ｉ ｇ ａ ｉ ａ ａ ｏ ｎ ｅ ｅ ｔ ｏ ｃ ｄｅ ｉｅ ｏ ｌｎ
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第 ３期
用 于 电 子 器 件 冷 却 的 热 管 散 热 器 实 验 研 究 与 优 化 数 值 模 拟
５ ７
影 响计 算 机性 能 能 否提 升 的关 键 因 素 。 由于 平板 热 管散 热器 其具有 导 热 性 高 、 温 性 强 的特 点 ， 均 已试 用 于 Ｃ Ｕ冷 却 中 ， Ｐ 目前 国 内外 众 多研 究 者 均 在 关 注 这
规则 的 高温分 布点 ， 时也 限 制 了热 源 的 尺 寸 ， 为 同 作
一
种 有效 的导 热方 式 的 导热 板 对 设 计 改 善 具 有 不 均
图 ２ 散 热 器 外 形 尺 寸
Ｆｉ ． Ｒａｄｉ ｏｒ ｄｉ ｅ ｉ ｎ ｇ２ ａｔ ｍ ｎｓｏ
匀能量 分 布的芯 片有 很 重 要 的 意 义 。本 实 验研 究 采 用 的是将 与散 热器 底 面 积 尺 寸相 同 的平 板 热 管嵌 入
Ａ ｂ ｔ ａ ｔ Ｗ ｉｈ ｔｅ ｒ ｐｄ ｄ ｖ ｌ ｐ ｎ ｆｔ ｏ ｓ ｒ ｃ ： ｔ ｈ ａ ｉ ｅ ｅｏ ｍｅ ｔｏ ｈｅ ｃ ｍｐｕｅ ，ｔ ｅ ｓｒ ｃｕ ｅ ｏ ｔｒ ｈ ｔｕ ｔｒ ｆＣＰＵ ｓ ｄ ｖ ｌｐ ｄ ｆｏ ｔ ｅ ｗａ ｅ ｅ ｏ ｅ ｒｍ ｈ ｔａ ｉ ｏ ｌｓｎ ｌ ｈ ｐ ｔ ｈ ｌｉｃ ｒ ｈ ｐ． Ｔｈ ｒ ｌｃ ｎ ｒ ｌｏ ｈ ｇ ｅ ｔｆ ｘ ｅ ｕ ｐ ｎ ｌ ｔｋ ｎ ｒ ｄｔ ｎａ ｉ ｇ ｅ ｃ ｉ ｏ ｔ ｅ ｍｕ ｔ— ｏ ｅ ｃ ｉ ｉ ｅ ｍａ ｏ ｔｏ ｆｔ ｅ ｈｉｈ ｈ ａ ｕ ｑ ｉ ｍｅ ｔｗｉ ａ ｅ ａ ｌ ｌ ｉ ｏ ｔｎ ｏ ｉｉｎ ｉ ｈｅｄ ｖ ｌｐ ｎ ｆＣＰＵ． Ｒｅｅ ｒｎ ｏｔ ｅ ｅ ｐ ｒｍ ｅ ｔ ｌｒｓ ａ ｃ ｎ ｕ ｅ ｉａ ｓａ — ｍｐ ｒａ ｔｐ ｓｔｏ ｎ ｔ ｅ ｅｏ ｍｅ ｔｏ ｆｒｉ ｇ ｔ ｈ ｘ ｅ ｉ ｎ ａ ｅ ｅ ｒ ｈ ａ ｄ ｎ ｍ ｒｃ ｌｗａ ｎ
摘 要 ： 高热流 密度 器件 的 热控 制在 Ｃ Ｕ 结构 体 系由单 一 芯 片 向 多核 芯 片发 展 中 占有 重 要 地 Ｐ 位 。对 平板型 热管散 热器与普 通散 热器 的传 热性 能进行 了比较 研 究 与计 算分 析 。研 究结 果表 明 ， 热
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一
２ ２ 当 量 导 热 系数 ．
由于平面 热管 与散 热器 底板 为一体 ， 以平板 热 所 管散 热器 导热 系数 的确定 不 适 宜 用 傅立 叶导 热 公式 进行求 解 。本 文 旨在 研究 散 热 器 对 芯 片宏 观 的冷却 效率 ， 不讨 论热 管 内部 复 杂 的 传 热过 程 ， 采 用 当量 故 导热 系数来 估测 平 板 热 管 散 热 器 的性 能 。其 表 达式
关键 词 ： 高热流 密度 器件 热控 制 Ｃ Ｕ 平 面热 管 散 热器 Ｐ 中图分类 号 ：Ｂ ５ Ｔ ６７ 文献 标识码 ： Ａ 文章 编号 ：０ ０６ １ （ ０ ０ ０ －０ ６０ １ ０ ．５ ６ ２ １ ）３０ ５ －５
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（） ２
—
其 中 ： 为底 板 热 阻 ， ／ Ｔ 为 底板 下 表面 Ｒ Ｋ Ｗ； 平 均温 度 ， Ｔｐ Ｋ； ｏ 为底 板上 表面 平均 温度 ， Ｑ为加热 Ｋ；
量， 。 Ｗ
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用 于 电 子 器 件 冷 却 的 管 热 器 热 散 实 验 研 究 与 优 化 数 值 模 拟
陆佩 强 诸 凯 刘 建 林 杨 爱 田金颖
同 的热流 密度 。铜 柱 内 埋 人 两 对 热 电 偶 Ｔ 、 热 Ｔ ；
电偶 Ｔ 埋 入位 于 Ｔ型 铜柱 顶部 模 拟芯 片 的中心 ， 用
图 １ 平 板 热 管散 热 器
Ｆｉ １ Ｆｌ ｌ ｅ ｈｅ ｉ ａ ａｔ ｒ ｇ． ａｔ ｐ ａｔ ａｔ ｐ ｐｅ ｒ ｄｉ ｏ
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热 系数 的 概 念 来 评 价 换 热 器 强 化 传 热 效 果 的 方 法 ， 据 Ｃ Ｕ 芯 片 的 发 热 特 点 提 高 散 热 器 的 当 量 导 热 根 Ｐ 系数 可 明 显 提 高散 热 器 的 均 温 性 ， 此提 高其 换 热 效 率 。 以
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热管蒸 发段 ， 冷凝 段 的气 相 速 度 ， 相 速度 和压 降 分 液
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到 铜 质 散 热 器 底 面 。 散 热 器 的 外 观 如 图 １所 示 。 散 热 器 参 数 如 表 １所 示 。
３ 实 验 研 究
３ １ 买 验 装 置 ．
自行 搭建 的 实验 台 对 平板 热 管 散 热 器 的散 热 性能 进行 了实 验 研 究 。实 验 装 置 如 图 ３所 示 。采 用 直流 硅热 源对 Ｔ型 发 热铜 柱 进行 加 热 以模 拟芯 片 不
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气 流 对 散 热 器进 行 冷 却 。发 热 芯 片 的 散 热 过 程 为 ：
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表 １ 实验 用散 热器 参数
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影 响计 算 机性 能 能 否提 升 的关 键 因 素 。 由于 平板 热 管散 热器 其具有 导 热 性 高 、 温 性 强 的特 点 ， 均 已试 用 于 Ｃ Ｕ冷 却 中 ， Ｐ 目前 国 内外 众 多研 究 者 均 在 关 注 这
规则 的 高温分 布点 ， 时也 限 制 了热 源 的 尺 寸 ， 为 同 作
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图 ２ 散 热 器 外 形 尺 寸
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