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热管散热技术的优化方案

时间:2023-06-24 理论教育 版权反馈
【摘要】:1963年,美国Los Alamos国家实验室首次提出一种高效的传热元件——热管,经过30多年的发展,20世纪90年代热管技术开始大规模应用。热管是目前芯片散热领域应用较为广泛的高性能散热技术。图1-4平板热管(均温板)基本结构与原理[9]在当前主流芯片发热密度情况下,热管因为其高性能、高稳定性、较低成本等优势占据了芯片散热技术的主流。然而,随着热流密度的持续升高,热管不可避免地会面临其传热极限问题。

热管散热技术的优化方案

1963年,美国Los Alamos国家实验室首次提出一种高效的传热元件——热管,经过30多年的发展,20世纪90年代热管技术开始大规模应用。热管充分利用了工质气液相变吸热放热的性质,通过热管可以将发热器件的热量迅速传递到散热翅片,其热传导能力超过任何已知金属的导热能力[2]。热管是目前芯片散热领域应用较为广泛的高性能散热技术。其工作过程本质上可以概括为相变热输运和毛细回流两部分。由于它依靠内部工质的气液相变传输热量,因此具有传热能力强的特点,同时工质完全为热驱动,无须消耗外界能量。

热管的传热能力可以采用当量导热系数来描述。类似于固体导热的傅立叶定律,当量导热系数定义式可表述为:

其中,Q为热管传递的热量,L为热管的长度,S为热管截面积,Te和Tc分别为蒸发段和冷凝段的温度。一般而言,式(1-2)计算的热管当量导热系数可以达到104W/(m·K)量级,相对于传统的金属热导率而言高出了两个量级。因此,高效的导热能力是热管最显著优势。(www.xing528.com)

热管的另一种实现形式是真空腔均温板(vapor chamber)技术。典型的均温板结构与作用原理如图1-4所示,均温板为基于热管原理的衍生产品,其基本结构为一内壁具微结构的真空腔体,该类毛细微结构通常可为泡沫铜、烧结铜粉、微槽道等。当热量由热源传导至蒸发区时,腔体内的工质会在低真空度环境中开始发生液相汽化的现象,此时工质吸收热能且体积迅速膨胀,气相的工质很快充满整个腔体。当气相工质接触到一个较冷的区域时将会产生凝结的现象,依靠凝结释放出在蒸发时累积的热,凝结后的液相工质会依靠微结构的毛细现象再回到蒸发热源处,此循环过程将在腔体内周而复始地进行。

图1-4 平板热管(均温板)基本结构与原理[9]

在当前主流芯片发热密度情况下(<10 W/cm2),热管因为其高性能、高稳定性、较低成本等优势占据了芯片散热技术的主流。然而,随着热流密度的持续升高,热管不可避免地会面临其传热极限问题。热管的传热极限由黏滞阻力、毛细能力及沸腾极限等多种物理特性共同决定[10]。一旦需传递的热量超过了热管传热极限,热管的热端温度会迅速升高,甚至产生爆裂危险。除此之外,热管工质的工作温度范围、管材与工质的相容性、抗弯折能力也从一定程度上限制了热管的应用范围。但总的来说,热管技术极大地支撑了当前高性能芯片技术的发展。

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