摘 要：某电子设备的主要特征是热源分布不均，局部热流密度大，且设备的重量和空间有严格限制，在保持箱体结和略微增加重量的前提条件下，文章介绍一种利用热管“热超导”均温特性有效提高冷板散热效率的方法。并运用仿真软件验证利用热管均温特性能够降低主要器件节温约8℃，改善效果明显。
　　关键词：热管；热流密度；热仿真
　　引言
　　随着电子元器件的高频以及集成电路的高密度集成，体积趋于微小化，使得单位体积的发热功率（热流密度）急剧增加。传统的散热方式在传热量、体积、质量和冷却方式等方面已慢慢不能满足要求。由于热管具有极高的导热性、热流密度可变性以及优良的等温性和环境适应性等特点，已成为电子电器设备高效散热的重要技术之一。目前已知的用于大功率电子元件散热的热管式散热器最高散热功率已达到200w/cm2[1]。可见，热管技术是解决高热流密度散热问题的途径之一。
　　热管1964年发明于美国洛斯-阿洛莫斯国家实验室，是一种具有极高导热性能的传热元件，具有良好传热性制作，具有结构紧凑、传热量大、安装方便和维护量小等特点，上世纪70年代开始在工业领域大量[2]。它通过在全封闭真空管内工质的汽、液相变来传递热量，具有极高的导热性，高达纯铜导热能力的上百倍，有“热超导体”之美称，热管两端温差很小，具有很好的均温性。本文中的电子设备因重量、空间等因素限制，无法将模块热量直接利用热管传递至热沉散热，但可以利用其均温特性对设备内热源集中的区域进行热扩散，以提高散热效率。
　　1 问题描述
　　某航电设备内含标准的6u数据处理模块、图像处理模块等模块，总功率约110w，最高使用环境温度70℃。wWW.11665.coM设备结构尺寸：260mm×120mm×195mm（长×宽×高），面积热流密度为0.052w/cm2。大大超出自然散热面积热流密度极限，采用强迫风冷散热设计。
　　其中数据处理模块主cpu热功率12w，热流密度达6.4w/cm2，该模块总功率30w，模块总热流密度0.089w/cm2。存在热源分布不均，局部温度过高的问题。
　　2 建模分析
　　我们使用热仿真软件icepak实现的该航电设备的热设计实例，通过计算使用热管进行“均温”前后的温度计算对比，可以看到热管在电子设备中作为“均温器”的具体运用效果。
　　2.1 原方案计算
　　对70℃环境下组件稳态工作点进行计算，数据处理模块主cpu器件节温115℃，接近其极限耐受节温125℃，温度余量不足10%，在此温度下长期工作将大大缩短其寿命。数据处理模块冷板温度分布如图1。
　　冷板表面最高温度99.5℃，最低温度83.8℃。因热源不均，存在高温区，低温区，因为装载子卡还存在覆盖区。高温区与低温区温差10℃以上，表面冷板热量传递路径存在较大的热阻。可利用其热管的均温特性，将高温区热量传递至低温区，加强冷板散热能力。
　　2.2 热管建模
　　目前较通用的方法是计算热管的当量热阻。即把内部复杂的现象等价成导热现象，由于热管工质释放大量潜热而接近等温传热，相当于发生相变换热的工质具有很大的导热系数，一般认为，热管的当量导热系数是铜的上百倍[3]，而铜的导热系数约为398w/（m·k），因此在数值模拟中，设发生相变换热的蒸汽当量导热系数为50000w/（m·k），大量实验表明，蒸汽空间的导热系数在50000～200000w/（m·k），热管就相当一个高导热的基板，以很小的梯度传热。
　　综述文献发现目前采用的热管模拟方法都非常复杂，还没有建立起对热管设计的工作参数，热管用于电子元件冷却的相关理论研究尚不够成熟。基于此，本文根据热管型散热器的特点，设计了散热器性能测试系统，并对其进行了实验研究，考察了散热功率、倾角、芯体结构等不同时对发热电子元件表面温度所产生的影响，采用简化模拟方法验证设计结果。故在建立几何模型过程中做出如下假设[4]：（1）将吸液芯采用由ferrell等人提出的导热模型[5]，用当量导热系数代替吸液芯中复杂的沸腾现象，即将其看成是一种当量导热系数为50w/（m·k）的金属层。（2）由于热管内部蒸汽温差很小，当量导热系数很大，故在模拟过程中设蒸汽腔当量导热系数为50000w/（m·k）。（3）假设壁面导热不计。热管则可简化为三层不同材料的导热：铜为398w/（m·k）；毛细芯为50w/（m·k）；蒸汽空间为50000w/（m·k）。热管简化计算模型如图2所示。
　　2.3 热管散热效果计算

对比
　　从图1和图4的对比可以看出，热管可以降低高热流密度区域温度，高温区温度由99℃降为91℃，降幅约8℃，低温区由87℃升为90度，升幅约3℃。高温区与低温区温差约1℃。温度分布结果表面，通过热管的均温特性，冷板表面温差大大降低，提高了冷板散热效率。数据处理模块主cpu节温由115℃降为107℃，降幅8℃。与最高允许节温125℃相差18℃，具有10%的温度余量量，能够提高器件寿命，提高高温工作稳定性。
　　3 结语与展望
　　根据该航电设备的结构特点和工作要求，利用热管均温特性，解决因为热源分布不均，造成冷板散热效率下降的问题。通过热分析软件建模分析，利用热管均温特性提高冷板散热效率的方法能够将主cpu节温降低约8%。因为该设备的空间和重量限制了热管只是作为“均温器”而存在，没有将其作为设备主要热量散热主路径，大大限制了热管散热效果。下一步应用将进一步加强研究，拓展热管在重量和空间受限的航电设备中使用，更加充分的发挥热管的散热特性。
　　参考文献
　　[1]王雪峰，孙志坚，吴存真，等.电子器件冷却用重力型热管散热器的实验研究[j].电子器件，2004，27（3）：393-396.
　　[2]李永赞，胡明辅，李勇.热管技术的研究进展及其工程应用[j].应用能源技术，2008，126（6）.
　　[3]cao y， gao m. experiments and analyses of flatminia-ture heat pipes[j].1996，1402-1409.
　　[4]张亚平，冯全科，余小玲.用于电子冷却的热管性能分析[j].流体机械，2008年第36卷第08.
　　[5]jaroslaw legierski， boguslaw wiecek， gilbert demey. measurements and simulations of transient characteris2tics of heat p ipes[j]. microelectronics reliability， 2006（46）：1092115.
　　作者简介：张小军（1978-），男，汉族，陕西汉中人，工程师，硕士，主要从事电子设备热设计与仿真方面研究。