黃 俊，侍書成，龔驍敏

(中電?？导瘓F有限公司， 浙江 杭州 310012)

一種用于高熱功率密閉計算機散熱的環(huán)路熱管系統(tǒng)*

黃 俊，侍書成，龔驍敏

(中電海康集團有限公司， 浙江 杭州 310012)

工作在潮濕、粉塵、腐蝕等惡劣環(huán)境下的電子設(shè)備需要密封，當機箱內(nèi)部元器件的總發(fā)熱功率過高時急需一套有效的散熱系統(tǒng)來保證該電子設(shè)備安全穩(wěn)定地工作。文中設(shè)計了一種環(huán)路熱管系統(tǒng)。該環(huán)路熱管系統(tǒng)的蒸發(fā)段位于密閉機箱內(nèi)部，通過工質(zhì)的相變源源不斷地將元器件的熱量傳遞到位于機箱外側(cè)的冷凝段中。若PCB上電子元器件的結(jié)溫低于其上限值，則該環(huán)路熱管散熱系統(tǒng)滿足要求。理論計算和數(shù)值計算表明，該環(huán)路熱管散熱系統(tǒng)能夠很好地保證高熱功率密閉計算機安全穩(wěn)定工作。

高熱功率；密閉機箱；環(huán)路熱管；散熱

引 言

某些計算機工作在高濕度、多粉塵、充滿腐蝕性氣體等惡劣環(huán)境中，必須采用全密封性結(jié)構(gòu)。而如何將元器件的發(fā)熱量通過高效的途徑傳遞到密閉機箱外部的熱沉中是熱設(shè)計亟待解決的問題[1]。另外一方面，傳統(tǒng)的密閉機箱散熱技術(shù)主要有集中供風式冷卻法、熱交換器冷卻法和空氣調(diào)節(jié)器冷卻法[2]，以上3種方法都是通過強迫冷卻技術(shù)將密閉機箱內(nèi)的熱量帶走。但當機箱的尺寸很小、機箱內(nèi)部元器件的發(fā)熱功率密度很高，且同時外界環(huán)境溫度也很高時，以上方法很難保證密閉機箱內(nèi)部具有一個有效穩(wěn)定的熱環(huán)境。當機箱的尺寸很小時，密閉機箱內(nèi)部的空氣容量也很少，隨之產(chǎn)生的溫升速率就很高。為了能夠及時帶走內(nèi)部元器件的熱量，進出機箱的空氣流量必須很大。這會給風扇系統(tǒng)帶來沉重的負擔，風扇的使用壽命和可靠性就會大大降低。另一方面，在機箱尺寸很小的情況下，外部的熱交換器的尺寸也不可能做得很大。為了解決以上難點，本文采用環(huán)路熱管散熱系統(tǒng)對工作在惡劣環(huán)境下的高熱功率密閉機箱進行散熱。

1 環(huán)路熱管原理

圖1是環(huán)路熱管原理圖。環(huán)路熱管是利用毛細力驅(qū)動工質(zhì)完成熱量傳輸?shù)膬上嗷芈废到y(tǒng)，它采用很小的毛細孔產(chǎn)生足夠的毛細力來克服傳統(tǒng)熱管方位和長度的限制。另外，在蒸發(fā)冷板內(nèi)設(shè)置毛細芯來解決小毛細孔帶來的液體流動阻力增大的問題。環(huán)路熱管系統(tǒng)的儲液罐和蒸發(fā)冷板直接連通在一起，依靠對工質(zhì)充裝量的控制就可以保證蒸發(fā)冷板中的毛細芯始終充滿液體。

圖1 環(huán)路熱管系統(tǒng)原理圖

圖2 密閉機箱內(nèi)部細節(jié)圖

該環(huán)路熱管系統(tǒng)的冷凝器可以采用多種形式，例如水冷、風冷等。本文采用直肋翅片的風冷冷凝模式。如圖3所示，工質(zhì)蒸汽從入口進入翅片基板內(nèi)部并將熱量傳導(dǎo)給散熱器基板。風扇可以安裝在該散熱器的一端，通過強迫對流加快翅片周圍空氣的流速，使其帶走翅片上大量的熱量。失去熱量的工質(zhì)冷凝液化后在毛細力的作用下從出口流出，重新回到儲液罐中。

圖3 冷凝器風冷結(jié)構(gòu)

2 環(huán)路熱管散熱系統(tǒng)熱力設(shè)計

2.1確定原始參數(shù)

一般在設(shè)計前須知道以下參數(shù)：冷卻氣流的進口溫度、熱管物理參數(shù)、翅片設(shè)計尺寸參數(shù)、芯片發(fā)熱功率、芯片封裝尺寸等[3]。在本文中，假定計算機工作在t∞的高溫環(huán)境中，冷卻氣流進口溫度t1,c=t∞。

在進行環(huán)路熱管設(shè)計之前，應(yīng)首先考慮確定如下因素：熱管的工作溫度(工作情況下熱管內(nèi)部工質(zhì)的飽和蒸汽溫度)、熱管工作介質(zhì)的種類、熱管管殼材料[3]。

為了使熱管內(nèi)工質(zhì)能穩(wěn)定地實現(xiàn)液-汽相變換熱，熱管工作溫度應(yīng)避免接近其臨界點，因為接近臨界點的工質(zhì)的品質(zhì)因數(shù)會急劇下降，并會使熱管內(nèi)部的工作壓力過高而影響熱管的可靠性。另一方面，當熱管內(nèi)部工質(zhì)的工作溫度接近其凝固點時，飽和壓力會變得很低，密度變得很小，為了保證足夠的蒸發(fā)質(zhì)量流量，勢必會導(dǎo)致管內(nèi)蒸汽流速過大以及蒸汽壓降過大，從而可能觸及熱管的聲速極限。熱管的工作溫度范圍宜位于飽和壓力線比較平坦的區(qū)域，可使工質(zhì)溫度變化所引起的壓力變化稍小，這意味著當工質(zhì)的工作溫度增高時，不至于導(dǎo)致管內(nèi)壓力急劇增大而對殼體強度提出過高的要求[4]。

環(huán)路熱管的工質(zhì)是熱的載體，工質(zhì)在環(huán)路熱管的蒸發(fā)冷板進行汽化吸熱，在冷凝器中進行液化放熱，在整個回路中進行兩相流動。選擇熱管的工質(zhì)是熱管設(shè)計中很重要的一個方面，它關(guān)系到熱管的性能、壽命及使用可靠性[5]。選用何種物質(zhì)作為熱管的工質(zhì)取決于工質(zhì)的物理性質(zhì)，也受限于物質(zhì)與管殼的化學相容性，只有與管殼相容的物質(zhì)才有可能作為熱管的工質(zhì)[6]。根據(jù)Antoine公式，可以得出工質(zhì)的飽和溫度T和飽和蒸汽壓P的關(guān)系曲線(圖4)：

lgP=A-B/(T+C)

(1)

A、B、C為無量綱數(shù)，當工質(zhì)為水時，A=7.966 81，B=1 668.21，C=228；當工質(zhì)為丙酮時，A=7.024 47，B=1 161，C=230；當工質(zhì)為甲醇時，A=7.878 63，B=1 473.11，C=228。

圖4 3種工質(zhì)的飽和溫度和飽和蒸汽壓曲線

由圖4可知，水的飽和蒸汽壓隨飽和溫度的變化較?。幌嗤瑴囟认滤钠瘽摕嵋脖绕渌?種工質(zhì)大，且水對環(huán)境無污染。因此，本文采用水作為環(huán)路熱管的工質(zhì)，銅為管殼材料。熱管工作溫度tw要位于芯片設(shè)計結(jié)溫與散熱器基板設(shè)計均溫之間，一般偏向芯片設(shè)計結(jié)溫，這樣既保證了熱管工質(zhì)有正常的蒸發(fā)量，也使冷凝器具有較大的散熱溫差。由于飽和水的汽化潛熱隨飽和蒸汽壓的變化不明顯，所以文中飽和水的汽化潛熱hw設(shè)定為常數(shù)，其值為熱管工作溫度tw對應(yīng)的汽化潛熱。主板上芯片熱功率很大，設(shè)定芯片總的發(fā)熱功率為Qtotal，最大芯片發(fā)熱功率為Qmax，總共有N個發(fā)熱功率較為明顯的芯片，則總的熱量表達式可以寫成如下形式：

(2)

式中，Qi為第i個芯片的發(fā)熱功率。

2.2環(huán)路熱管熱阻

為了使環(huán)路熱管散熱系統(tǒng)能夠滿足熱力總成設(shè)計，假設(shè)芯片的熱量全部傳導(dǎo)給熱管蒸發(fā)冷板。冷板和芯片之間的空隙采用導(dǎo)熱界面材料填充，降低接觸熱阻。芯片結(jié)到蒸發(fā)冷板底部上表面的總熱阻：

Rcon=Rjc+Rcp+Rps

(3)

儲液罐內(nèi)的充液量不能過小，否則蒸發(fā)冷板內(nèi)的工質(zhì)得不到及時補充而成為過熱蒸汽，這將導(dǎo)致冷凝器中的部分液態(tài)工質(zhì)進行顯熱換熱，換熱量較小。在這種狀態(tài)下，熱管的平均換熱效率較低，換熱量小，沒有充分發(fā)揮熱管相變傳熱的能力。當然，儲液罐內(nèi)的充液量也不宜過大，否則會壓迫蒸發(fā)冷板內(nèi)的汽-液混合物進入上升管，甚至到達冷凝器中，這會導(dǎo)致整個系統(tǒng)的換熱量和傳熱系數(shù)降低，甚至會引起熱管內(nèi)部壓力增大、工質(zhì)的相變溫度升高，從而導(dǎo)致熱管傳熱的啟動速度大大減慢[7]。環(huán)路熱管正常工作時，循環(huán)流量應(yīng)等于蒸發(fā)冷板的蒸汽流量，也應(yīng)等于冷凝器中的液體流量。一般情況下，將儲液罐內(nèi)的充液量設(shè)定為蒸發(fā)流量的1.5～2.0倍就足以時刻保持蒸發(fā)冷板中的工質(zhì)充足穩(wěn)定。

環(huán)路熱管蒸發(fā)冷板的主要傳熱機理是導(dǎo)熱加蒸發(fā)。隨著冷板熱流密度的增大，其內(nèi)的工質(zhì)開始沸騰。若熱流密度進一步增大到某個臨界熱流密度時，沸騰產(chǎn)生的氣泡將會聚合成一片，并貼附在內(nèi)壁上形成蒸汽膜，該蒸汽膜將液體與內(nèi)壁隔絕開來，相比于液體工質(zhì)的導(dǎo)熱系數(shù)，蒸汽膜中工質(zhì)蒸汽的導(dǎo)熱系數(shù)小很多，這將不可避免地導(dǎo)致冷板溫度急劇上升[8]。一旦發(fā)生上述現(xiàn)象，則表明熱管的傳熱能力達到了沸騰傳熱極限：

(4)

式中：g為重力加速度；σ為水的表面張力系數(shù)；ρv為蒸汽密度；ρl為飽和水的密度。

式(5)是蒸發(fā)冷板的熱量平衡方程式，即芯片的總熱量Qtotal通過熱傳導(dǎo)的方式全部被蒸發(fā)冷板中的工質(zhì)吸收，進而引起工質(zhì)發(fā)生相變，帶走相應(yīng)的汽化潛熱。qm為工質(zhì)的蒸發(fā)質(zhì)量流量，kg/s。因Qtotal和hw為常數(shù)，故qm=Qtotal/hw也為常數(shù)。

Qtotal=qmhw

(5)

環(huán)路熱管傳熱的熱阻主要包括工質(zhì)與熱管外表面?zhèn)鳠岬姆艧釤嶙?、熱管管壁的?dǎo)熱熱阻、管內(nèi)蒸汽軸向流動熱阻等。其中蒸汽在管內(nèi)傳遞和軸向流動熱阻相對很小，可以忽略不計[9]。則環(huán)路熱管總熱阻：

Rpipe=Rho+Rλh+Rhi+Rci+Rλc

(6)

式中：Rho為蒸發(fā)冷板內(nèi)流體與外表面的傳熱熱阻；Rλh為熱管管壁導(dǎo)熱熱阻；Rhi為蒸發(fā)冷板內(nèi)蒸汽蒸發(fā)傳熱熱阻；Rci為冷凝段管內(nèi)蒸汽凝結(jié)傳熱熱阻；Rλc為冷凝段管壁導(dǎo)熱熱阻。則冷凝段管壁的溫度ts滿足：

(7)

于是可以得到：

ts=tw-QtotalRpipe

(8)

由于冷凝段與散熱器基板是焊接在一起的，所以它們之間的接觸熱阻幾乎可以忽略不計，可以假定翅片散熱器基板的溫度與熱管冷凝段外壁的溫度一致。

2.3翅片式散熱器設(shè)計

2.3.1 理論校核

翅片式散熱器的翅片和基板均為鋁材質(zhì)，通過擠壓拉制形成翅片與基板的整體結(jié)構(gòu)，翅片尺寸為H×L×δ(高 × 長 × 厚)，翅片個數(shù)為M，構(gòu)成2M個翅片換熱面。翅片式散熱器的工作原理是環(huán)路熱管冷凝段的熱量傳導(dǎo)給基板，隨后從基板通過導(dǎo)熱傳遞給翅片，翅片上的熱量再以強迫對流換熱的方式傳遞到周圍空氣中。

由于翅片散入外界的熱量全部來自基板，可以通過以下關(guān)系式描述：

(9)

p=2(L+δ)

(10)

(11)

Ac=Lδ

(12)

(13)

式中：h為翅片表面平均傳熱系數(shù)；tm為翅片散熱器中空氣的平均溫度；λ為基板的導(dǎo)熱系數(shù)；t1,c為冷卻氣流入口溫度；t2,c為冷卻氣流出口溫度[10]。

通過式(9)可以計算得到翅片表面平均傳熱系數(shù)h的值。令：

η=MλAc(ts-tm)

(14)

則：

Qtotal=ηmtanh(mH)

(15)

令：

f(mH)=tanh(mH)

(16)

(17)

通過聯(lián)合式(16)及式(17)，采用圖解法(圖5)便可得到mH的值。

圖5 f(mH)和g(mH)函數(shù)曲線

f(mH)曲線為雙曲型，g(mH)曲線為反比例型，反比例系數(shù)為QtotalH/η。兩條曲線的交點的橫坐標就是所求mH的解，再通過式(11)就可以得到h的值：

(18)

翅片表面的氣流形式為湍流形式，沿翅片長度方向的Nusselt數(shù)滿足以下經(jīng)驗公式[11]：

Nux=0.029 6Rex4/5Pr1/3

(19)

(20)

(21)

式中：Rex是以x為特征長度的雷諾數(shù)；Pr為普朗特數(shù)；ρa為平均溫度對應(yīng)的空氣密度；U∞為翅片表面空氣流速；x為翅片長度方向的特征長度；μ為平均溫度對應(yīng)的空氣動力粘度；Cp為平均溫度對應(yīng)的定壓比熱容；k為靜止空氣的熱導(dǎo)率。又有：

(22)

式(18)中的h是一個平均結(jié)果，且基于熱平衡得到。接下來通過對流傳熱原理求解式(22)～(25)來得到h的另一個平均結(jié)果：

h(x)=0.029 6Cp1/3k2/3(ρaU∞)4/5μ-7/15x-1/5

(23)

令：

φ=0.029 6Cp1/3k2/3(ρaU∞)4/5μ-7/15

(24)

則：

h(x)=φx-1/5

(25)

翅片表面的平均傳熱系數(shù)：

(26)

得：

(27)

聯(lián)立式(18)、(24)、(27)可得：

(28)

通過翅片表面空氣流速可以估算流經(jīng)翅片散熱器的冷卻空氣的必要流量：

Vc,min=U∞HL

(29)

接下來校核翅片散熱器出口氣流溫度t2,c：

Qtotal=ρaVc,minCp(t2,c-t1,c)

(30)

則：

(31)

由于在設(shè)定空氣物性參數(shù)的時候前文已經(jīng)假定了一個翅片散熱器中空氣的平均溫度tm，在此，需要進行校核計算。將式(31)得到的t2,c重新帶入式(13)中求得新的平均溫度tm′，再用tm′來查新的空氣物性參數(shù)，如ρa′、Cp′和k′。隨后將這些新的參數(shù)帶入以上方程重新計算出新的t2,c′，最后再帶入不等式(32)進行校核：

(32)

式中，ε代表能夠忍受的誤差值，通常很小。式(32)若滿足，則停止校核，最終的t2,c就是所求值，若不滿足，則繼續(xù)以上步驟校核，直至滿足為止。

接下來要對最終的t2,c用判別式(33)進行檢驗：

t2,c

(33)

式(33)若成立，說明翅片散熱器出口的風溫低于翅片溫度，則翅片式散熱器的設(shè)計合理可靠，且翅片散熱器入口風量滿足設(shè)計要求。如果式(33)不成立，則需要加大翅片散熱器入口風量，當達到最大風量仍不滿足時，需要對翅片散熱器或環(huán)路熱管重新設(shè)計。

2.3.2 數(shù)值模擬設(shè)計

理論計算有時工作量大，過程繁復(fù)。本文借助數(shù)值模擬方法對翅片散熱器進行輔助設(shè)計，其模擬結(jié)果在設(shè)計前期對理論設(shè)計有很好的指導(dǎo)作用。本文搭建了簡易的數(shù)值風洞，將具有穩(wěn)態(tài)熱載荷的翅片散熱器置于風洞中，來探究翅片基板均溫與風洞固定流速之間的關(guān)系以及尋找翅片散熱器內(nèi)部結(jié)構(gòu)上的最優(yōu)解。冷凝器的尺寸規(guī)模需要依據(jù)密閉機箱的實際尺寸來定，本文參照常規(guī)計算機機箱的尺寸，將翅片散熱器的外觀尺寸定為160 mm × 100 mm × 50 mm。另外，根據(jù)統(tǒng)計可以得到整個電子設(shè)備總的熱功率，假定為500 W。在翅片散熱器外觀尺寸不變的情況下，其翅片數(shù)目與翅片厚度存在一組最優(yōu)解，基于這組最優(yōu)解，在風速不變的情況下，翅片基板均溫達到最低。

本文總共模擬了50種翅片數(shù)目與翅片厚度的組合，圖6截取了其中一部分，圖7是仿真結(jié)果的3D圖。仿真結(jié)果表明，當翅片數(shù)為76、翅片厚度為0.15 mm時，該散熱器的散熱效果最好。利用公式Rsa=(tb-ta)/W可以得到當前固定流速下該散熱器的大致熱阻Rsa，其中tb為散熱器基板的穩(wěn)態(tài)均溫，ta為環(huán)境溫度，取35 ℃，W為熱載荷，這里為500 W。當取最優(yōu)組合時，翅片散熱器基板的穩(wěn)態(tài)均溫為71.8 ℃，依據(jù)上述公式計算可得該最優(yōu)組合下散熱器的熱阻Rsa約為0.27 K/W。

圖6 Flotherm優(yōu)化方案列表(部分)示意

圖7 Flotherm優(yōu)化結(jié)果3D圖

接下來，基于上述模擬的散熱器翅片最優(yōu)結(jié)構(gòu)，探究該散熱器的基板均溫與固定流速之間的關(guān)系(圖8)，從而為上述環(huán)路熱管的理論設(shè)計提供快速的參照依據(jù)。

圖8 散熱器基板均溫與固定流速關(guān)系的散點圖

從圖8可以看出，在熱載荷和翅片結(jié)構(gòu)不變的情況下，隨著固定流速的增加，散熱器基板均溫逐漸降低。當風速增大到約25 m/s時，隨著風速的增加，基板均溫降低非常緩慢。以上模擬結(jié)果對于真實的散熱器風扇風速的設(shè)計具有直接的指導(dǎo)作用。

2.4校核發(fā)熱功率最大芯片的散熱工況

環(huán)路熱管散熱系統(tǒng)的工作需要保證所有元器件的結(jié)溫處于各自允許的工作溫度范圍之內(nèi)。已知某芯片i的發(fā)熱功率為Qi,其對應(yīng)的封裝面積為Ai。根據(jù)傅立葉導(dǎo)熱定律，可以得到該芯片的導(dǎo)熱方程：

(34)

式中：ti,j是該芯片的計算結(jié)溫；Ri,con是該芯片結(jié)到冷板底部上表面總的傳導(dǎo)熱阻。因為冷板是金屬材質(zhì)，其導(dǎo)熱系數(shù)很高，熱量在其中能夠很快均勻分布，所以這里假定冷板的溫度分布是均勻的。因為式(34)中的Qi、tw、Ri,con已知，通過變換可以得到：

ti,j=tw+QiRi,con/Ai

(35)

如果ti,j≤ti,max(i=1,…,N)始終成立(ti,max為芯片i的最高結(jié)溫)，則表明該環(huán)路熱管散熱系統(tǒng)滿足熱力約束；否則，需要重新設(shè)計，并進行校核驗算，直到上述條件滿足為止。

3 結(jié)束語

為了保證在高濕度、多粉塵、充滿腐蝕性氣體等惡劣環(huán)境中的密閉計算機安全穩(wěn)定地工作，本文設(shè)計了一種環(huán)路熱管散熱系統(tǒng)對其進行散熱。

本文全面詳細地敘述了環(huán)路熱管散熱系統(tǒng)的各個設(shè)計步驟，基于導(dǎo)熱、傳熱理論以及經(jīng)典的經(jīng)驗公式，對環(huán)路熱管散熱系統(tǒng)的蒸發(fā)冷板、翅片散熱器進行理論計算和校核。其中在翅片散熱器的設(shè)計過程中輔以數(shù)值模擬和數(shù)值優(yōu)化，從而大大提高了散熱器的設(shè)計效率。

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黃 俊(1989-)，男，碩士，主要研究方向為數(shù)值傳熱。

侍書成(1981-)，男，工程師，主要研究方向為數(shù)值傳熱。

龔驍敏(1980-)，男，工程師，主要研究方向為電子工程。

ALoopHeatPipeSystemforHeatDissipationofComputerswithClosedChassisandHighThermalPower

HUANGJun，SHIShu-cheng，GONGXiao-min

(ZhongdianHaikangGroupCo.,Ltd.,Hangzhou310012,China)

Electronic equipment working in the damp, dust, corrosion and other harsh environments needs to be sealed. An effective heat dissipation system is needed to ensure that the electronic equipment works safely and stably when the total thermal power is too high. A loop heat pipe system is designed in this paper. The evaporation section of this loop heat pipe is located inside the closed chassis. The working fluid in the evaporation section can transfer the heat steadily to the condensation section of the loop heat pipe which is located outside the closed chassis. If the junction temperature of the electronic component on the PCB is below its upper limit, the loop heat pipe meets the design requirements. The theoretical calculation and numerical calculation indicate that the loop heat pipe system can ensure the computer with closed chassis and high thermal power to work safely and stably.

high thermal power; closed chassis; loop heat pipe; heat dissipation

2016-12-14

TK124

A

1008-5300(2017)04-0042-06