DOI: 10.11817/j.issn.1672-7207.2017.02.034
多脉动冷端热管散热器的散热性能
夏侯国伟，刘业鹏，王当，刘鹤华
(长沙理工大学 能源与动力工程学院，湖南 长沙，410076)
摘要：为了强化单片板式脉动热管的传热，满足高功率电子芯片散热的需要，提出一种具有多脉动冷端结构的热管散热器，并对其散热与启动性能进行实验研究。分析充液率、加热功率对多脉动冷端热管散热器传热性能及启动性能的影响，并与单片平板脉动热管进行对比。研究结果表明: 多脉动冷端热管散热器的最佳充液率为25%；多脉动冷端散热器冷端启动呈先中间后两侧的顺序；启动时间受充液率影响较小，但随加热功率增加而变短且启动稳定性更好；启动温度则随充液率的增加而变大；在相同工况下，多脉动冷端散热器传热及启动性能明显比单片平板脉动热管的优。
关键词：电子芯片；热管；传热性能；启动性能
中图分类号：TK121 文献标志码：A 文章编号：1672-7207(2017)02-0533-07
Thermal performance of multiple pulsating cold end heat pipe radiator
XIAHOU Guowei, LIU Yepeng, WANG Dang, LIU Hehua
(School of Energy and Power Engineering, Changsha University of Science and Technology, Changsha 410076, China)
Abstract: In order to enhance the heat transfer in single plate pulsating heat pipe, and meet the needs of high power electronic chip cooling, the cold end heat pipe radiator that has more fluctuating structure was proposed, and the heat dissipation and startup performance were experimentally researched. The influence of charging rate and radiator heating power with pulse cold end heat pipe on the heat transfer performance and startup performance was analyzed, and the pulse cold end heat pipe was compared with single plate pulsating heat pipe. The results show that the best charging rate of pulse cold end heat pipe radiator is 25%.Multiple pulsating cold end on either side of the radiator after cold end is among the first order. Start time affected by charging rate is small, but it is shortened with the increase of heating power and the started stability is stronger. The started temperature increases with the increment of the charging rate. At the same conditions, the heat transfer properties with more pulses cold end radiator and the startup performance are superior to those of the single piece of plate pulsating heat pipe.
Key words: electronic chips; heat pipe; heat transfer performance; starting performance
随着电子工业快速微型化、高频化的发展，电子元件的散热成为约束性问题，同时也成为国内外的研究热点。电子元件工作温度每升高10 ℃，其可靠性减少50%，电子元件55%的失效问题都是由散热不良引起的[1]。由于脉动热管具有结构简单、启动温度低、传热性能良好、加工制作方便的特点，其在低温度热源的传热上具有明显优势。其中，板式脉动热管因具有完整的接触平面，便于实现与电子元件的良好接触，而被视为电子元件的最佳传热元件[3]。目前，对板式脉动热管开展的研究主要集中在通道截面优化[5-7]、传热性能[8-10]、启动特性[11-16]等方面。研究表明：板式脉动热管与其他结构的脉动热管相比具有显著的独特性，非圆截面槽道的脉动热管比圆截面槽道的脉动热管传热性能更优[6]，且传热性能受槽道截面形状、倾角、当量直径、充液率、工质等因素的影响[9, 17-19]，而启动性能受充液率[20-22]及倾角[11, 22-23]的影响较大。当前人们对板式脉动热管的研究均集中在单片平板脉动热管上。一般而言，CPU电子芯片及普通电气元器件的工作温度不得超过65 ℃。对单片板式脉动热管的传热性能研究结果表明：为保证热源温度不高于65 ℃，受散热能力的限制，其散热功率须控制在50 W以下[23]，已无法满足现今大功率、高热流密度电子芯片的散热需要，因此，开发一种更强散热能力的新型热管很有必要。单片平板脉动热管在较低加热功率下具有良好的传热效果，但在高加热功率下，单片平板脉动热管极易达到传热极限，导致传热能力快速下降与爆管[11, 15-16, 24]。经分析认为，单片平板脉动热管之所以不能适应高功率芯片的散热，是因为只有1个散热冷端，散热面积有限致使散热能力有限。为强化热管的散热能力，增加更多冷端不失为一种有效方法。为此，本文作者提出一种具有阵列布置的多脉动冷端散热器，以满足高功率电子芯片的散热需要。针对该新型热管散热器展开传热及启动特性实验研究，分析充液率、加热功率及倾角对多脉动冷端散热器传热性能和启动性能的影响，并与单片平板脉动热管的传热性能和启动性能进行分析对比。
1 实验对象及实验方法
研究的多脉动冷端散热器结构如图1和图2所示，外形长×宽×高为75 mm×75 mm×57 mm。该结构热管散热器以下简称为散热器。散热器由蒸发端、冷凝端组成，其蒸发端设计为台阶型结构，内置不锈钢材质网状毛细填充丝，作用类似于吸液芯、起冷端冷凝液回流及蒸发端工质均布。蒸发端小端面与发热块(电子元件)贴合，蒸发端大端面与冷端相连通，起联通与冷端引流作用。6片脉动冷端阵列布置于蒸发端大端面上，其外壁设置散热翅片，可大幅度增大散热面积，强化散热效果。冷端内设置若干并联脉动槽道，槽道当量直径满足Bond数，管内工质传热传质遵循脉动传热方式，槽道结构见图2，每片冷端长度为43.6 mm。考虑到加工、焊接方便，散热器材料选用304不锈钢，工质为去离子蒸馏水，翅片为等截面薄翅片。
与之进行对比的单片平板脉动热管内部结构与图2所示的一致，其外形长×宽×高为200 mm×43 mm×5 mm。热管内部有多条并联的互嵌三角形槽道，当量直径满足Bond数要求，工质在槽道内实现脉动传热。蒸发、冷凝端长度分别为80 mm和120 mm，壳体为0.5 mm厚304不锈钢薄板，工质为去离子蒸馏水。
图1 多脉动冷端散热器截面和测点布置图
Fig. 1 Section of multiple pulsating cold end heat pipe radiator and arrangement of measuring points
图2 平板脉动热管散热器冷端槽道
Fig. 2 Radiator cold end of plate pulsating heat pipe
散热器和单片平板脉动热管的传热性能实验台如图3所示，实验装置包括加热部分、冷却部分、数据采集部分。加热部分由加热块、变压器、功率表组成，可实现输入功率的任意调节。为减小接触热阻对实验的影响，在散热器与加热块间涂抹导热硅脂并压紧。冷却部分采用CPU散热风扇对散热器实现空气强制对流散热。数据采集部分由KEITHLEY2700多功能数字表通过精度为0.4%的OmegaTT-K-30-SLE热电偶对散热器壁温实时连续采集，采集频率为20 Hz，温度采集后传至计算机处理。散热器和单片平板脉动热管的温度测点布置分别如图1和图4所示。
热管传热性能及启动性能的影响因素有充液率、加热功率。实验时，通过控制变量法，逐次分析单一变量对散热器和单片平板脉动热管传热性能、启动性能的影响。实验步骤如下：首先确定某一充液率，然后在该充液率下调节不同的加热功率，在每个加热功率下进行散热性能及启动性能实验。充液率的调节范围为20%~40%，每次增加5%；加热功率调节范围为50~110 W，每次增加10 W。在实验过程中，室温控制在20 ℃，热管初始真空度为9×10-5 Pa。当壁温在20 min内的波动小于 0.5 ℃时认为系统达到热平衡。
图3 传热性能实验台
Fig. 3 Test bed of heat transfer performance
图4 平板脉动热管散热器测点布置
Fig. 4 Plate pulsating heat pipe radiator arrangement of measuring points
2 试验结果分析与讨论
脉动热管的传热性能一般用当量导热系数或热阻来评价，但考虑到研究对象的特殊结构(多片冷端及T型台阶的热端)，轴向横截面变化很大并且具有多个冷端，因而不便准确计算当量导热系数和传热热阻。为此，本文对多脉动冷端散热器的传热性能采用热源温度予以直接评价，启动性能则采用初始启动温度、启动时间表征。研究充液率及加热功率对传热与启动的影响，并与单片平板脉动热管的性能进行对比。
2.1 充液率对多脉动冷端散热器热源温度的影响
图5所示为多脉动冷端散热器在充液率为20%~40%时热源温度变化。由图5可知：多脉动冷端散热器热源温度随着充液率的增加呈现先降低再增加的趋势，说明充液率存在最佳值，且多脉动冷端热管散热器的最佳充液率为25%；当充液率过低时，工质较少，工质的潜热也较小，则散发一定热量时除需要潜热外还需增加显热的散热比例，这意味着热管内工质及热源温度提高，也说明此时热管传热性能较差；当充液率过高时，管内液态工质过多，冷端会因液态工质多而产生流动阻力，不利于气态工质到达冷端冷凝放热，使得实际的潜热变小，故散发一定热量时仍需增加显热的散热比例，同样会使热管内工质及热源温度提高，传热性能下降。可见，充液率存在1个最佳值，在该值下工质回流均匀、充分、顺利，潜热与散热量匹配更合理，显热比例不需要增加，此时管内工质温度及热源温度可能下降，热管传热性能提高。
图5 充液率对多脉动冷端散热器热源温度的影响
Fig. 5 Influence of liquid filling rate on heat source temperature of multi pulse cold end heat sink
2.2 加热功率对多脉动冷端散热器温度的影响
本文以最佳充液率25%为例进行分析。多脉动冷端散热器在最佳充液率为25%、加热功率为50~110 W(每次递增10 W)、工质为去离子蒸馏水时，进行连续的传热性能实验，即在每个加热功率下实验达到热平衡后增加加热功率，直至完成所有加热功率的实验。当截取的加热功率为50，60，90和110 W时的冷、热端平均温度变化见图6。由图6可知：随着加热功率增大，热源温度也增大；稳定工作时多冷端散热器蒸发端平均温度分别为54，60，76和91 ℃，蒸发端与冷凝端温差分别约为7，8，10和12 ℃，说明冷凝端管内工质能有效回流并实现脉动传热。可见：在高加热功率下，冷热端温度仍可平稳上升并达到稳定，表明多脉动冷端散热器能够满足更高散热功率需求。
2.3 多脉动冷端散热器的启动性能
2.3.1 充液率对多脉动冷端散热器启动性能的影响
在多脉动冷端散热器在加热功率为50 W、工质为去离子蒸馏水条件下,不同充液率下的启动温度见图7。由图7可知：脉动冷端的启动呈现一定次序，即先中间冷端(对应3号、4号测点)后两侧。其原因是热管蒸发端为T型阶梯结构，产生于蒸发端小端面的蒸汽运动时将根据最小阻力原则优先流向中间冷端，然后才向两侧冷端流动。其次，特定脉动冷端的启动时间受充液率影响较小，启动温度则随充液率的增加而变大。以3号测点为例，当充液率为20%，25%，30%和35%时，其启动时间分别为60，61，60和61 s，启动温度(冷端温度变化时所对应的蒸发端温度)分别为32.1，33.2，39.7和42.0 ℃。出现这种情况的原因是充液率越大，冷端通道内液相工质较多，气相工质较少，脉动冷端完全启动需要更多的驱动能量和更高的启动温度。要指出的是：实验中脉动冷端各测点启动并未表现出对称性，以测点2和5为例，在充液率为25%、加热功率为50W时，其启动温度分别为34.5 ℃和33.2 ℃，启动时间分别为90 s和80 s。出现这种情况的原因是蒸发端使添加的不锈钢丝难以分布均匀，从而导致工质冷端回流出现差异，故即使对称脉动冷端其启动也可能表现出非对称性。启动对称性将随加工、安装工艺改善而改善。
2.3.2 加热功率对多脉动冷端散热器启动的影响
加热功率不仅对热管的传热性能有影响，而且对启动性能也有一定影响。充液率为30%，加热功率为分别为50 W和80 W时的启动温度见图8。从图8可见：在各加热功率下，散热器的脉动冷端也呈现一定的启动顺序，3号和4号测点所在冷端最先启动，然后两侧冷端启动，其原因与前面的相同。其次，加热功率对启动时间和启动稳定性影响显著，当加热功率80 W、启动时间明显短于50 W且加热功率较高时，启动稳定性越好。经分析认为，加热功率越大，热流密度越大，热端压力升高越快，工质朝冷端流动的驱动力也越大，所以，热管启动速度加快，启动时间变短。
图6 多冷端散热器温度变化曲线
Fig. 6 Temperature change curves of multi cold end heat sink
2.4 多脉动冷端散热器与单片平板脉动热管的传热性能比较
在充液率为25%，工质为去离子蒸馏水，倾角为0°，加热功率为60 W时单片平板脉动热管冷、热端平均温度变化见图9。对比图6中多脉动冷端散热器在相同加热条件下的情形发现：稳定工作时，多脉动冷端散热器和单片平板脉动热管蒸发端平均温度分别为60 ℃和88 ℃，两者温差达28 ℃，表明在相同传热功率下，多脉动冷端散热器的传热能力远比单片脉动热管的强。由此可见：多冷端结构的散热效果比单冷端结构有很大提升，进一步提高了脉动热管散热能力，并满足更高功率电子芯片散热要求。
图7 多脉动冷端散热器充液率对启动温度的影响
Fig. 7 Influence of multi cold end heat sink rate on started temperature
图8 加热功率对多脉动冷端散热器启动温度的影响
Fig. 8 Influence of pulse heating power on started temperature of cold end radiator
2.5 多脉动冷端散热器与单片平板脉动热管的启动性能比较
当单片平板脉动热管在加热功率为50 W、倾角为0°时，冷3测点启动性能随充液率变化如图10所示。对比图10与图7可知:在相同充液率、相同加热功率下、倾角为0°时，冷端散热器的启动时间相比板式热管初始启动时间要短很多，启动温度比板式热管更低。例如，当充液率为25%、加热功率为50 W、倾角为0°时，多脉动冷端3号测点的启动时间及启动温度分别为61 s和33.2 ℃，单片平板脉动热管冷3测点的启动时间及启动温度分别为88 s和38.6 ℃。
图9 单片平板脉动热管温度变化
Fig. 9 Temperature change of single plate pulsating heat pipe
图10 不同充液率下单片平板脉动热管启动曲线
Fig. 10 Heat pipe start-up curves of plate pulsating under different charging rates
3 结论
1) 多脉动冷端散热器传热性能随充液率的增加先增大后降低，存在25%的最佳充液率。
2) 多脉动冷端散热器冷端启动呈先中间后两侧的启动顺序。启动时间受充液率影响较小，但随加热功率的增加而变短且启动稳定性更强；启动温度则随充液率的增加而变大。
3) 在充液率为25%、倾角为0°、加热功率为60 W时，多脉动冷端散热器的蒸发端平均温度比单片平板脉动热管平均温度低28 ℃，传热性能显著提高。
4) 在相同工况下，多脉动冷端散热器的启动时间比单片平板脉动热管的启动时间短，启动温度比单片平板脉动热管的启动温度低，启动性能明显提高。
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(编辑 陈灿华)
收稿日期：2016-03-10；修回日期：2016-05-15
基金项目(Foundation item)：国家自然科学基金资助项目(51376025)；能源高效清洁利用湖南省高校重点实验室开放基金资助项目(2015NGQ010)；长沙市科技计划项目(kq1602041) (Project(51376025) supported by the National Natural Science Foundation of China; Project(2015NGQ010) supported by Key Laboratory of Efficient and Clean Energy Utilization of Hunan Province; Project(kq1602041) supported by the Science & Technology Plan of Changsha)
通信作者：夏侯国伟，副教授，硕士研究生导师，从事高效强化传热研究；E-mail: xh_gw@126.com
