電子電器設備中高效熱管散熱技術的研究現狀及發展
姚壽廣，馬哲樹，羅林，陳如冰（華東船舶工業學院機械系，江蘇鎮江）
摘要：隨著電子技術的不斷發展，半導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備亟待解決的關鍵技術。本文針對電子及電器設備的散熱冷卻問題綜述了高效熱管散熱方面的應用研究現狀及發展。
關鍵詞：熱管；散熱；電子儀器
引 言
電子電器設備的高效散熱一直是現代傳熱技術的主要應用之一。電子元器件可靠性的改善，功率容量的增加以及結構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，電子技術迅速發展，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，不能穩定工作，因而也勢必影響系統運行的可靠性。研究和實際應用表明，單個半導體元件的溫度每升高，系統的可靠性將降低V%Z。因此電子技術的發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，從而為現代傳熱技術在電子冷卻領域的應用提出了新的課題。
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。傳統的依靠單相流體的對流換熱方法和強制風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，必須研究和開發新的散熱手段以適應有高熱流密度散熱要求的場合。由于熱管技術具有極高的導熱性、優良的等溫性、熱流密度可變性、熱流方向的可逆性、恒溫特性環境的適應性等優良特點，可以滿足電子電器設備對散熱裝置緊湊、可靠、控制靈活、高散熱效率、不需要維修等要求。因此，熱管技術已在電氣設備散熱、電子器件冷卻、半導體元件以及大規模集成電路板的散熱方面取得很多應用成果。以下對熱管技術在該領域的最新應用研究現狀作一概述。
1 國內外應用現狀及發展
國外許多科研機構和科技工作者都先后對熱管冷卻技術進行了大量的研究，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體元件冷卻的熱管散熱器，它的重量僅為傳統散熱器的五分之一［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的分析和實驗，并提出了不凝結氣體的形成、軸向冷凝的阻塞以及由于小蒸發面積而產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，還促進了熱管技術在該領域的深入研究和應用。
目前熱管的結構和形狀隨著對象的本身結構形狀及使用條件的變化已發展得更加多樣復雜和系列化。在系統設備級的熱控制中，典型的如許多通訊中繼設備大多安裝在地下水源水道的檢修孔內。為了對付這種環境，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備緊靠殼體側壁安裝，電器元件散發的熱量可以通過殼體的側壁或底面傳導到外面去。然而殼體側壁往往只能有一部分與散熱體接觸，而大部分側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，使其蒸發段和散熱元件接觸，而冷凝段和殼體側壁接觸，熱量通過熱管分散到殼體各部［’］。在發熱量比較大的儀器儀表密封柜內，往往采用強制對流散熱。其原理是在殼體內部安裝中型風扇，使發熱元件產生的熱氣體在殼體內部循環，傳遞給小型熱管換熱器的蒸發段。熱量通過熱管傳遞到殼體外部的冷凝段，并通過風扇散失到環境中去。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。它有頂部安裝和側面安裝兩種形式。在密封的電器柜內有一臺風扇安裝在熱管蒸發段的空氣進口處，熱管將熱空氣的熱量傳至柜外散發到大氣中。熱管的冷凝段可以采用風冷，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學機床研究所［-］針對印制板插件的散熱冷卻開發研制的一種扁平熱管，這種扁平熱管采用燒結銅末吸液芯（或!$$ 目銅絲網）和水（或甲醇）作為工質，研究表明貼附在雙列直插件894 元件下面時可將單個元件的大部分熱量散掉，目前投入應用的這種扁平熱管的橫截面尺寸有等。目前熱管技術在電子設備熱控制中代表性的應用首推電腦內芯片的散熱冷卻，傳統的臺式計算機和筆記本電腦的中央處理器（<4=）都使用微型風扇和翅片來散熱冷卻，散熱量一般為& % 3(。隨著計算機技術的飛速發展，高性能的<4= 的發熱量增加了倍，今后的發熱量會越來越大，將會達到 或者更高。常規的自然散熱方式及風扇強制散熱都難以滿足要求。熱管散熱有體積緊湊、無噪聲、高度可靠性等優點，已成為首選的散熱手段。用于筆記本電腦散熱的熱管屬于小型熱管，熱管的外徑為, % 7 ++，內徑一般為&: ’ % 3 ++，長度一般小于,$$ ++。可以彎成各種形狀［#］。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扇，將熱量排除到環境中去。臺式電腦、服務器、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。近年來23456378 公司開發出一種所謂“仙人掌”（!89:3; < :=>?）式熱管［@］。這種熱管的散熱效果與冷風的流速有關，文獻［@］中給出了流過熱管的迎面風速和傳熱熱阻以及阻力降的關系。
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計的熱管，可用于主頻0’’ CDE 以上芯片的散熱［&’］。國內熱管在電子電器設備中的應用雖然起步較晚，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，在蒸發段采用軸向槽道加抑泡孔管的結構，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計方法的探討，并比較了與原設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用［&I］。在文獻［&1］中董東甫對熱管在國內電力電子冷卻技術中的應用和發展作了綜述介紹。目前國內已經有了J2 系列風冷平板散熱器，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，并且發布了相應的一些行業標準［&*］。但國內熱管在電子電器設備中的應用主要集中在大功率電器設備的散熱冷卻方面，在微電子設備中的應用仍十分薄弱。
2 國內外基礎研究現狀及發展
由于電子與電器設備散熱冷卻主要是間接方式，比較理想的是冷板結構，考慮到其它結構形式的熱管研究總結已有文獻作了報道［&$］。下面主要對熱管式冷板的研究做一介紹。已有傳統的冷板根據其結構形式可分為氣冷、液冷式冷板等，隨著高熱流密度散熱冷卻要求的提出，熱管式冷板得到大家的廣泛關注和重視。其應用基礎研究目前較為集中在它的性能試驗與數值模擬分析方面［&O % 0,］。
但總的說來這方面的研究文獻還很少，這方面工作最為突出的是P- (8QR 和S- G8T85 等人針對一種平板熱管及變化結構進行了詳細的理論分析和試驗研究［&O % 00］，通過試驗表明它能夠適應(F 9.0 高熱流密度的工況，進一步通過數值模擬建立平板熱管的啟動和關閉時的數學模型，分析求解了平板熱管的啟動和關閉的瞬態溫度場分布性能，發現輸入熱流密度、壁面和毛細芯厚度和熱輸入形式是影響熱管穩定工作時間的主要因素。國內南京化工大學熱管技術開發研究院和浙江大學等研究機構也對平板熱管進行了研究和試驗，李菊香［0I］的研究得出熱管式均熱平板在厚度方向上布置的圓孔通道，其孔徑越小，孔間距越小，工作表面上的最大溫差越小；蔣金柱、莊駿［01］設計了一種高導平板熱管，采用加強筋增強平板的承壓能力，并通過實驗發現接觸傳熱溫差是傳熱溫差的主要部分；牟其崢［0*，0$］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，同時對其建立了數值模型，采用!2U 軟件進行了計算，發現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蒸汽局部回流現象。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已逐步成為電子電器設備熱設計的必需手段。許多著名的商用結構分析和!2U 軟件均能（ 或配有專用模塊）對電子電器設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間，針對汽液界面上的剪切力來進行模擬，對于數學模型中的一些系數的確定還沒有統一，因此這方面的工作還有待深入研究。
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