三維振蕩熱管應(yīng)用在芯片冷卻的可行性研究

韓冠楠 周盈盈 凌云志

摘? ? 要：本文提出了三維振蕩熱管應(yīng)用在芯片冷卻的可行性，并研究其熱阻變化。實(shí)驗(yàn)研究了風(fēng)速與功率對(duì)熱管熱阻的影響，結(jié)果表明氣流分布對(duì)熱管的運(yùn)行存在很大影響。

關(guān)鍵詞：實(shí)驗(yàn)研究;芯片冷卻;三維振蕩熱管

1? 概況

振蕩熱管是一種新型的熱管，由于其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，操作靈活，適用性強(qiáng)，已廣泛應(yīng)用于各種電子設(shè)備的冷卻。它也被稱為脈動(dòng)熱管，由Akachi [1]于20世紀(jì)90年代首次引入。震蕩熱管由毛細(xì)管制成，毛細(xì)管被彎曲成多個(gè)回路并注入一定數(shù)量的工質(zhì)。熱管結(jié)構(gòu)包括三個(gè)部分：蒸發(fā)部分，絕熱部分和冷凝部分。工質(zhì)在蒸發(fā)端受熱蒸發(fā)后經(jīng)由絕熱段在冷凝端放出熱量，形成汽塞液柱交替分布的流體并產(chǎn)生振蕩運(yùn)動(dòng)。在這個(gè)過程中，風(fēng)冷系統(tǒng)被廣泛用于熱管冷凝端的散熱過程。

實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)了用于電子元器件冷卻的三維振蕩熱管。大量實(shí)驗(yàn)表明三維振蕩熱管具有比傳統(tǒng)熱管更好的性能[2]。實(shí)驗(yàn)研究了風(fēng)速以及加熱功率對(duì)三維振蕩熱管的影響，發(fā)現(xiàn)熱阻隨著不同的風(fēng)速變化而變化。實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了氣流組織分布對(duì)三維振蕩熱管的應(yīng)用至關(guān)重要。眾所周知，風(fēng)扇單元調(diào)節(jié)風(fēng)量具有低消耗，高效率的特點(diǎn) [3]。本文設(shè)計(jì)的風(fēng)扇單元由軸流風(fēng)扇，導(dǎo)向單元組成，導(dǎo)向單元用于調(diào)節(jié)風(fēng)向從而改變氣流組織分布。通過調(diào)節(jié)風(fēng)扇單元的轉(zhuǎn)速以及導(dǎo)向單方向來研究氣流組織分布。

2? 實(shí)驗(yàn)裝置

圖中描繪了三維振蕩熱管的幾何模型。熱管的長(zhǎng)度和寬度分別為90mm和90mm。 熱管沿寬度方向具有四層。熱管使用去離子水作為工質(zhì)，充液率為62%。熱管的內(nèi)徑為3mm，外徑為5mm。

采用空氣冷卻系統(tǒng)對(duì)熱管的性能進(jìn)行測(cè)試，冷卻空氣由室內(nèi)空調(diào)單元提供。送風(fēng)管的寬度為600mm，高度為150mm。通過控制系統(tǒng)對(duì)送風(fēng)風(fēng)速和溫度進(jìn)行調(diào)節(jié)以便以規(guī)定的溫度和速度冷卻震蕩熱管。

3? 多因子設(shè)計(jì)

采用完全析因設(shè)計(jì)對(duì)CFD結(jié)果進(jìn)行分析以了解設(shè)計(jì)參數(shù)如何影響氣流組織分布。適當(dāng)?shù)膶?shí)驗(yàn)方法設(shè)計(jì)可有助于實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)[4]。

全因子實(shí)驗(yàn)是一種實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方法，指以多因素（兩個(gè)或兩個(gè)以上）為研究對(duì)象，探求各因素的主效應(yīng)和因素間的交互效應(yīng)。其設(shè)計(jì)由兩個(gè)或多個(gè)因子組成，每個(gè)因子具有離散的可能值或“水平”，并且實(shí)驗(yàn)結(jié)果在各因子中采用這些水平的所有可能組合。全因子實(shí)驗(yàn)可以處理更多信息，它允許研究者研究每個(gè)因素對(duì)響應(yīng)變量的影響，以及因子之間相互作用對(duì)響應(yīng)變量的影響。

在這項(xiàng)研究中，設(shè)計(jì)了一個(gè)2×2×3因子實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)來研究氣流分布。因子G是導(dǎo)向單元的傾斜角度，用于引導(dǎo)氣流的流動(dòng)方向。因子G具有三個(gè)連續(xù)的水平：60°用“1”表示，75°用“2”表示，90°用“3”表示。因子V是入口風(fēng)速。因子V有兩個(gè)連續(xù)的水平：1m/s用“-”編碼，2m/s用“+”編碼。因子C有兩個(gè)分類：以“-”標(biāo)記的無(wú)冷通道設(shè)計(jì)以及以“+”標(biāo)記的冷通道設(shè)計(jì)。

4? 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

4.1? 熱阻分析

總體上熱阻隨著加熱功率的增加而降低。在啟動(dòng)之前，熱阻的變化范圍很窄，有時(shí)甚至?xí)冉档驮偕仙瑓⒖嘉墨I(xiàn)[11]中也報(bào)告了相同的結(jié)果。同時(shí)隨著風(fēng)速的增加，熱管的熱阻也會(huì)降低。當(dāng)加熱功率較高時(shí)，三維振蕩熱管啟動(dòng)，熱阻隨著加熱功率的增加而降低。隨著風(fēng)速的增加，熱阻也會(huì)增加?？梢园l(fā)現(xiàn)熱阻和風(fēng)速之間的關(guān)系在不同的加熱功率下具有相關(guān)性。

4.2? 氣流組織分布分析

當(dāng)安裝導(dǎo)向單元時(shí)，作為一種定向送風(fēng)方案，氣流呈現(xiàn)出明顯的方向性。由于方向性的存在，第三層服務(wù)器的速度變化最大。然而，定向送風(fēng)會(huì)導(dǎo)致空氣回流問題的家居，它可以在矢量圖中用虛線框標(biāo)記來證明。分析導(dǎo)向單元的效果，我們發(fā)現(xiàn)，通常第一層和第二層的速度高于第三層和第四層。

5? 結(jié)束語(yǔ)

本文提出了一種用于電子元器件冷卻應(yīng)用的三維振蕩熱管。在不同的加熱功率和風(fēng)速下對(duì)熱阻進(jìn)行測(cè)試。結(jié)果表明，熱阻隨著加熱功率的增加而降低，同時(shí)熱阻和空氣速度之間的關(guān)系在不同的加熱功率下具有相關(guān)性。研究三維振蕩熱管的氣流組織分布?；贑FD方法建立機(jī)架級(jí)模型，采用風(fēng)扇單元作為調(diào)節(jié)器，對(duì)機(jī)柜的氣流組織分布進(jìn)行了研究。采用完全析因設(shè)計(jì)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)分析。通過設(shè)置風(fēng)扇速度，導(dǎo)向單元角度以及通道封閉性作為影響因素，以風(fēng)速作為響應(yīng)變量，從而研究了各因素對(duì)氣流組織分布的影響。

結(jié)果表明，軸流風(fēng)扇與導(dǎo)向單元結(jié)合可以實(shí)現(xiàn)定向送風(fēng)從而改變氣流組織分布。但是，應(yīng)該考慮以下問題：定向送風(fēng)會(huì)加劇空氣回落問題。而冷通道封閉是一種解決空氣再循環(huán)問題的有效方案，其具有成本低廉的特點(diǎn)。在實(shí)際運(yùn)行中，服務(wù)器第三層和第四層被定義為具有較大氣流風(fēng)速的區(qū)域，并且它們易受到風(fēng)扇的影響，這應(yīng)該被考慮在三維振蕩熱管的應(yīng)用中。

參考文獻(xiàn)：

[1] Akachi H. Structure of a heat pipe： U.S. Patent 4，921，041[P].1990-5-1.

[2] Ibrahim O T，Monroe J G，Thompson S M，et al. An investigation of a multi-layered oscillating heat pipe additively manufactured from Ti-6Al-4V powder[J].International Journal of Heat and Mass Transfer，2017（108）：1036～1047.

[3] Rahman M L，Sultan R A，Islam T，et al. An experimental investigation on the effect of fin in the performance of closed loop pulsating heat pipe （CLPHP）[J].Procedia Engineering，2015（105）： 137～144.

[4] Kim N H，Choi M H，Kim S Y，et al.Design of experiment （DOE） method considering interaction effect of process parameters for optimization of copper chemical mechanical polishing （CMP） process[J].Microelectronic Engineering，2006（3）： 506～512.