热管型电子器件散热器的数值模拟和实验研究
摘要
随着电子元器件的集成化程度越来越高，散热问题已成为制约电子技术发展的主要因素之一。由于电子器件散热技术研究的日益重要，本文首先对电子器件散热技术及热管型电子器件散热器的国内外研究和发展现状进行了综述，并在此基础上对热管型电子器件散热器进行了数值模拟和实验研究。
根据电子器件的运行工况，建立了散热器性能测试系统，并对所设计的不同型式的热管型电子器件散热器进行了在不同工况下的性能实验，比较了在热流密度、风速、风温等实验工况发生改变的情况下各型式的热管型电子器件散热器中电子器件表面温度的变化规律。
根据实验结果分析，本文以结构简单而且散热效果好的D型热管散热器为研究重点，建立了比较完整的热管型电子器件散热器的理论模型。模型分为三个部分：模拟电子器件发热的铜块、具有高传热能力的重力热管以及套在重力热管冷凝段外用于强化散热的环状肋片。将数值模拟的计算结果中有关电子器件表面温度随各种工况的改变而发生变化的情况同实验部分的结果进行比较，可以看到二者有较好的吻合，表明所建立的模型和选用的计算方法是合理的。
在证实了本理论模型是合理的基础上，本文根据所建立的模型进行了一系列的数值模拟计算，分析了热管型电子器件散热器的结构尺寸(蒸发段和冷凝段的长度比、肋片的高度等)变化对发热器件表面温度的影响，得到了蒸发段和冷凝段的最佳长度比。
本文还对热管型电子器件散热器各个传热环节的热阻进行了数值计算，通过各热阻大小的比较，从理论上提出了强化传热的一系列措施。
With the increasing of electronic element integration, the problem of heat dispersion has become one of restrict factor in the development of electron technology. To meet the demond of rapidly increased thermal dispersion , numerical simulation and experimental study on heat pipe radiator for electronic element has been made in the paper.
According to the working condition of electronic element, a testing system established to test the temperature variety of the electronic element surface on several kinds of radiator which designed on different structure under different working condition.
On the basic of the experimental results, integrated theoretical model established which include three part:heat simulation copper block, two-phase closed thermosyphon and heat sink. Contrast the results of numerical analysis and experimental study, fine agreement exists between the numerical prediction and experimental results which proved the rationality of theoretical model.
After the rationality of theoretical model has been testified , going along a series of numerical simulation and find the best ratio of evaporation segment and condensation segment by means of analyse the temperature variety of the electronic element surface on the effect of the radiator structure change.
A series of strenthen step about heat transfer put forward theoretically by means of numerical analysis focuse on the thermal resistant of each tache of the heat transfer.
根据电子器件的运行工况，建立了散热器性能测试系统，并对所设计的不同型式的热管型电子器件散热器进行了在不同工况下的性能实验，比较了在热流密度、风速、风温等实验工况发生改变的情况下各型式的热管型电子器件散热器中电子器件表面温度的变化规律。
根据实验结果分析，本文以结构简单而且散热效果好的D型热管散热器为研究重点，建立了比较完整的热管型电子器件散热器的理论模型。模型分为三个部分：模拟电子器件发热的铜块、具有高传热能力的重力热管以及套在重力热管冷凝段外用于强化散热的环状肋片。将数值模拟的计算结果中有关电子器件表面温度随各种工况的改变而发生变化的情况同实验部分的结果进行比较，可以看到二者有较好的吻合，表明所建立的模型和选用的计算方法是合理的。
在证实了本理论模型是合理的基础上，本文根据所建立的模型进行了一系列的数值模拟计算，分析了热管型电子器件散热器的结构尺寸(蒸发段和冷凝段的长度比、肋片的高度等)变化对发热器件表面温度的影响，得到了蒸发段和冷凝段的最佳长度比。
本文还对热管型电子器件散热器各个传热环节的热阻进行了数值计算，通过各热阻大小的比较，从理论上提出了强化传热的一系列措施。
With the increasing of electronic element integration, the problem of heat dispersion has become one of restrict factor in the development of electron technology. To meet the demond of rapidly increased thermal dispersion , numerical simulation and experimental study on heat pipe radiator for electronic element has been made in the paper.
According to the working condition of electronic element, a testing system established to test the temperature variety of the electronic element surface on several kinds of radiator which designed on different structure under different working condition.
On the basic of the experimental results, integrated theoretical model established which include three part:heat simulation copper block, two-phase closed thermosyphon and heat sink. Contrast the results of numerical analysis and experimental study, fine agreement exists between the numerical prediction and experimental results which proved the rationality of theoretical model.
After the rationality of theoretical model has been testified , going along a series of numerical simulation and find the best ratio of evaporation segment and condensation segment by means of analyse the temperature variety of the electronic element surface on the effect of the radiator structure change.
A series of strenthen step about heat transfer put forward theoretically by means of numerical analysis focuse on the thermal resistant of each tache of the heat transfer.
引文
1．池田羲雄等编，《实用热管技术》，化学工业出版社，1988
2. L A Nelson, K S Sekhon, J E Frita. Pirect heat pipe cooling of semiconductor devices. Proceedings of the 3rd International Heat Pipe Conference. 1978
3．邱海平，《电子元器件及仪器的热控技术》，电子工业出版社，1991
4．文迪，“如何为芯片散热”，微型计算机，2001年第9期
5．王健石，“国外半导体器件散热器发展动态”，ENC世界电子元器件，1996．5
6．陶生桂、董东甫，“热管散热器的特点及其在国内外应用情况”，机车电传动，1999年第4期
7．陶汉中、张红等，“热管式IGBT散热器的研制”第八届全国热管会议论文集，2002，322～327
8．侯增祺，“热管技术的新进展”，出国考察技术报告，1990(1)，172～181
9．姚寿广、马哲树等，“电子电器设备中高效热管散热技术的研究现状及发展”第八届全国热管会议论文集，2002，317～322
10．马同泽，《热管》，科学出版社，1983
11．庄俊，张红编著，《热管技术及其工程应用》，化学工业出版社，1999
12. Masataka Mochizuki,Koichi Mashiko, etal. Cactus-type heat pipe for cooling CPU, Heat pipe technology Pergamon, 1997
13. HowardW.Markctein, Cooling techniques for today' s electronics, EP&P, 1997:78～82
14．黄定寅，“电力晶闸管热管散热器的新结构与传热实验”，电力电子技术，1993(4)，55～57
15．马钦等，“100000KVA浸油热管变压器的设计”，第五届全国热管会议论文集，1996，133～138
16．铁芯水平布置的干式变压器的冷却，变压器，1989(2)，38～40
17．马钦等，“分离式热管在小型干式变压器中的应用”，第五届全国热管会议论文集，1996，279～283
18．董东甫，“热管在中国电力电子冷却技术中的发展”，第六届全国热管会议论文集，1998，181～185
19．董东甫，“电力电子器件用的热管散热器”，电世界，1999(1)
20. Masataka Mochizuki, Koichi Mashiko, eta. Development of Folded Fin Heat with Solid Base and Vapor Chamber, 12th Int. Heat Pipe Conf. 2002
21. V.G. Pastukhov, Miniature Loop Heat Pipes for Electronics Cooling, 12th Int. Heat Pipe Conf. 2002
22. Bin-Juine Huang, A Network Heat Pipe for Remote Heat Transport, 12th Int. Heat Pipe Conf. 2002
23. C.S. Chang, B.J. Huang, Feasibility Study of a Mini LHP for CPU Cooling of a Notebook PC, 12th Int. Heat Pipe Conf. 2002
24. Kwang-Soo Kim, Myong-Hee Won, Heat Pipe Cooling Technology for Desktop PC CPU, 12th Int. Heat Pipe Conf. 2002
25. Zhuang Jun, Research on CPU Heat Pipe Coolers, 12th Int. Heat Pipe Conf. 2002
26．孙祥泰、张双喜等，“热管散热器热工性能试验”，青岛建筑工程学院学报，1993，Vol．14．No．2 19～24
27．卓宁、孙家庆主编，《工程对流换热》，机械工业出版社，1981
28．白晓亮，“半导体制冷的散热与热管散热器的设计”，制冷，1998年第4期
29．屠传经、沈珞婵、胡亚才编著，《高温传热学》，浙江大学出版社，1997
30．杨世铭编，《传热学》(第二版)，高等教育出版社，1980
31．吴存真、刘光铎合编，《热管在热能工程中应用》，水利电力出版社，1993
32. Briggs, D.E. and E.H. Yong, Convective Heat Transfer and Pressure Drop of Air Flowing Across Triangular Pitch Banks of Finned Tubes, Chem. Eng. Symp. Series, Vol. 59. No. 41
33．靳明聪、陈远国，《热管及热管换热器》，重庆大学出版社，1986
34. M. Shiraishi, K. Kikuohi and T. Yamanishi, Investigation of Heat Transfer Characteristics of a Two-Phase Closed Thermosyphon, 6th Int. Heat Pipe Conf. 1987.
35．J．A．亚当斯，D．F．罗杰斯著，章靖武、蒋章焰译，《传热学计算机分析》，科学出版社，1980
36．俞昌铭编著，《热传导及其数值分析》，清华大学出版社，1981
37．屠传经、沈珞婵、吴子静编著，《热传导》，高等教育出版社，1992
38．M．N齐奧西克著，俞昌铭主译，《热传导》，高等教育出版社，1983
39．杨小琼主编，《传热学—计算机辅助教学》，西安交通大学出版社，1992
40．郭宽良著，《数值计算传热学》，安徽科学技术出版社，1985
41．孔祥谦、王传薄编著，《有限元法在传热学中的应用》，科学出版社，1981
2. L A Nelson, K S Sekhon, J E Frita. Pirect heat pipe cooling of semiconductor devices. Proceedings of the 3rd International Heat Pipe Conference. 1978
3．邱海平，《电子元器件及仪器的热控技术》，电子工业出版社，1991
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10．马同泽，《热管》，科学出版社，1983
11．庄俊，张红编著，《热管技术及其工程应用》，化学工业出版社，1999
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16．铁芯水平布置的干式变压器的冷却，变压器，1989(2)，38～40
17．马钦等，“分离式热管在小型干式变压器中的应用”，第五届全国热管会议论文集，1996，279～283
18．董东甫，“热管在中国电力电子冷却技术中的发展”，第六届全国热管会议论文集，1998，181～185
19．董东甫，“电力电子器件用的热管散热器”，电世界，1999(1)
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28．白晓亮，“半导体制冷的散热与热管散热器的设计”，制冷，1998年第4期
29．屠传经、沈珞婵、胡亚才编著，《高温传热学》，浙江大学出版社，1997
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32. Briggs, D.E. and E.H. Yong, Convective Heat Transfer and Pressure Drop of Air Flowing Across Triangular Pitch Banks of Finned Tubes, Chem. Eng. Symp. Series, Vol. 59. No. 41
33．靳明聪、陈远国，《热管及热管换热器》，重庆大学出版社，1986
34. M. Shiraishi, K. Kikuohi and T. Yamanishi, Investigation of Heat Transfer Characteristics of a Two-Phase Closed Thermosyphon, 6th Int. Heat Pipe Conf. 1987.
35．J．A．亚当斯，D．F．罗杰斯著，章靖武、蒋章焰译，《传热学计算机分析》，科学出版社，1980
36．俞昌铭编著，《热传导及其数值分析》，清华大学出版社，1981
37．屠传经、沈珞婵、吴子静编著，《热传导》，高等教育出版社，1992
38．M．N齐奧西克著，俞昌铭主译，《热传导》，高等教育出版社，1983
39．杨小琼主编，《传热学—计算机辅助教学》，西安交通大学出版社，1992
40．郭宽良著，《数值计算传热学》，安徽科学技术出版社，1985
41．孔祥谦、王传薄编著，《有限元法在传热学中的应用》，科学出版社，1981