基于CAD系统的冷却剂回路和热管热模拟方法(3)教程

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系统级回路热管模拟

　　虽然电子封装行业对回路热管的兴趣越来越大，但这里选择回路热管(LHPs)只是用来讨论1D流体模拟技术。单相和其它类型的两相回路(包括蒸汽压缩循环)同样也能作为技术介绍的案例。

　　尽管在名字上的相似性，回路热管实际上与传统的热管还是有着很大的差异，这些差异也包括了模拟技术上的迥然不同。如同上面所说的，完整的流体力学解决方案并非模拟传统热管所必须，但是一个更完整的热力学求解方案是模拟回路热管所必须的，即使在稳态条件下。

　　回路热管与传统热管的工作机理相同，但是蒸汽和液体分别流入简单的、小直径管道使得回路热管的运行和应用与传统热管有着非常显着的区别。将驱动力项隔离到一个集中的区域（蒸发器）意味着不仅能采用多变化、可调整的管线，而且能够使用小孔毛细材料，有效地消除了许多由于重力和朝向原因造成的热管不能使用的问题，与热虹吸设备不同，回路热管并不要求热源必须位于冷源的上面。

　　采用简单的热阻/热容网络模拟回路热管并不妥当，主要是由于回路热管中存在的两相流动和冷凝过程的准确模拟是模型成功的关键。在回路热管中，不仅准确模拟冷凝器很重要（具体讲，过冷量），而且计入看起来很小的沿着液体管线和补偿箱（与蒸发器在一起的大容积箱）的热收入和支出也非常关键，尤其在低功率下。回路热管存在着类似“三极管”的放大效应：在液体管线或补偿箱上的1W加热功率能造成整个回路热阻（对于小的LHP量级通常在0.01到0.05K/W间）的减半或加倍。在过冷度计算中，1W的偏差也有类似的结果（，其中m为回路质量流率）。

　　基于同样的原因，追踪回路的压降也非常重要。可能并非固有属性，整个回路的热阻由于系统对液体侧冷热变化的敏感性，在重力场内变得依赖于管路的朝向。

　　这个敏感性产生的原因是在毛细材料的两端存在不同的饱和条件，毛细材料tulaoshi一般是金属类的（也是导热性的）。毛细材料两端压差的增加将同样造成两端温差的增加，原理依据Clausius-Clapeyron方程:

　　引起一些热量回流到核心区，而未被蒸发：

　　任何此类“回流”以及管线的任何漏热必须通过提高过冷量加以平衡，提高过冷量意味着在冷凝器区减少可供利用的蒸发区[1] (两相)，这也相应地提高了整个回路的热阻。

　　Ref11提供了回路热管运行原理的很好总结，Ref12 提供了回路热管模拟技术的很好总结，所以这些相关问题就不在这里重复。

　　幸运的是，尽管回路热管的运行很复杂，但只要工程师能做到以下几点，它们的模拟也不是那么困难。

    有回路热管厂商提供的相关性能指标（包括诸如总润湿毛细热阻等重要资料）

    能利用足够详细的两相热力学程序，其中包括基本的毛细模拟模块。

    已创建冷凝器、回流管线和补偿箱的详细的热/流体模型。

　　本片文章的焦点在于最后一条：布置冷凝器和管线，将管线热/流体模型与结构热模型耦合。这也是后续例子的主要目的，在新例子中将采用前面一个例子的构型设计。

　　幸运的是，回路热管性能并不明显受到非凝结气体产生的影响（除了启动时，见Ref13）。启动（短时间效应）瞬态是非常复杂的(Ref 14)，一般的热瞬态过程都能被比较容易的模拟，只要两相分析软件允许准稳态两相水力学与瞬态热结构响应耦合。

回路热管应用案例

　　仍然采用前面使用的模型，只是将热管替换为回路热管，以演示典型的回路热管模拟应用和介绍在3D FDM/FEM热模型内建立1D流体模型的方法。

　　回路热管不能完全代替传统的热管，除非PCB板的导热率有了极大的提高。也就是说，仍需要热管从分散的元件收集热量并将热量传递给回路热管的蒸发器。回路热管不适合等温化组件，也不适合在大的电路引脚上收集热量。

　　但是，回路热管的散热引脚有很高的散热能力，而不必如传统热管那样要求引脚必须在同一平面。也就是说，回路热管能更好地利用铝壁的可用面积，这在一定程度上弥补了由于联合利用热管和回路热管而多出的接触热阻项。

　　在这个案例中，采用了单一的回型管冷凝器以易于管路的密封。多通、平行管路也能作为替代品使用，但是要求两相热工水力分析软件必须能模拟有很小压降的平行管路内分布情况，也必须能追踪液－汽界面，因为有很强的重力效应存在于这样分布中。

　　氨被选作工质，除了由于设计上的成熟外，还因为水在这些温度下具有的低蒸汽压（25°C时～3000Pa绝对压力）使得它不太适合用于回路热管。由于选用了氨，所以铜不再用作管壁材料，而选用了铝和不锈钢。毛细材料为烧结镍。传输管线和回型管冷凝器采用的是一整根ASTM B307 4mm (名义值)铝管(1.9mm内径, 3.2mm外径)。

　　图5给出了系统性能的描述，作为对比，同时给出了上例中没有气体时传统热管系统的最终结果。位于PCB板右下方的蒸发器和补偿箱以2D壳单元可视形式给出。蒸发器（而不是补偿箱）与PCB板的等温热管连接，等温热管仍在PCB板内存在（虽然在图中为了避免杂乱而未显示），这个热管不再作为传输装置，所以也不再延长至整个电路板。

　　回路热管的饱和温度大致在26°C左右，这个值比传统热管的30°C设计值低了几度，但是在两个案例中芯片的温度几乎是一致的，原因是传输到铝板上的热量是一样的: 11W多一点。如同期望的那样，在传统热管和回路热管蒸发器间多出的接触热阻被铝板热沉的更好利用得到了有效补偿。也就是说，回型热管从根本上消除了铝板的温度梯度（图5）。这种构型对传统的热管而言是不可能实现的，由于不在同一平面上引起的有限的静压差。

图5: 带有回型冷凝器的回路热管替代系统
(传统热管方案位于左图)

　　以上两个例子不要被误解为是传统热管与回路热管间的比较，因为两个案例都不是在特定要求下的优化案例。例子给出的目的是介绍在3D热几何模型内建