兩相流散熱翅片結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

鮮大中

（愛美達(dá)（上海）熱能系統(tǒng)有限公司，上海 201611）

0 引言

在信息網(wǎng)絡(luò)發(fā)達(dá)的當(dāng)今，大數(shù)據(jù)、云計(jì)算、人工智能的大量應(yīng)用，特別是在享受5G網(wǎng)絡(luò)給人們帶來的快速與便捷同時(shí)，對(duì)電子元件的散熱需求也與日俱增。傳統(tǒng)的散熱翅片已不能滿足高功率、高集成芯片的散熱需求。因此，急需開發(fā)高效率散熱翅片，以適應(yīng)日新月異的高科技發(fā)展需求。

兩相流翅片便應(yīng)運(yùn)而生，兩相流是指冷卻液的氣液兩種狀態(tài)，氣液兩相界面間發(fā)生隨機(jī)變動(dòng)，在氣相與液相間形成不同組合的相界面，且相界面分布呈現(xiàn)不同的幾何形狀，將其稱為流型。由于氣液的可壓縮性，使得其相變過程及形式極為復(fù)雜，也為兩相流的研究和應(yīng)用提供了廣泛的發(fā)展空間。

1 散熱器的基本結(jié)構(gòu)

散熱器的基本結(jié)構(gòu)通常包括起均溫作用的基板及散熱作用的翅片。兩者必須相互配合，發(fā)揮各自的性能特點(diǎn)，才能有效地發(fā)揮出整個(gè)散熱器的性能。

起均溫作用的基板主要承載著將小熱源、高密度的熱源分散開，最理想狀態(tài)是能夠均勻分布在整個(gè)基板上。同時(shí)，基板還承載著熱源的安裝和固定。為了使散熱均勻，通常會(huì)在基板上預(yù)埋比基材散熱性能高的熱管及均溫板（Vapor Chamber），以提高基板的散熱性能。

在此，首先簡(jiǎn)單介紹熱管的工作原理。熱管是一種單方向傳熱的物體，由于銅的導(dǎo)熱系數(shù)大約為400 W/（m·K），因此主要選擇銅材作為基材。主要載體是薄壁銅管，在銅管的內(nèi)壁通常做成吸附力很好的毛細(xì)結(jié)構(gòu)，以利于液體的快速回流。腔體內(nèi)部充有一定量的傳熱液體介質(zhì)，使其在熱源接觸到熱管的蒸發(fā)端時(shí)，液體介質(zhì)快速蒸發(fā)而變成蒸汽，在壓力差的作用下快速將熱量帶到冷凝端，實(shí)現(xiàn)了熱量的遠(yuǎn)距離快速傳送。當(dāng)蒸汽到達(dá)冷凝端后，遇到低溫的銅管壁后凝結(jié)成水，在內(nèi)壁毛細(xì)結(jié)構(gòu)吸附力作用下，快速流回蒸發(fā)端，從而實(shí)現(xiàn)熱管的整個(gè)循環(huán)傳熱效果。在同等條件下，熱管的導(dǎo)熱率能是固體銅的幾十倍，其工藝技術(shù)也相當(dāng)成熟，制作成本相對(duì)較低，在散熱領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。

熱管是單相均溫部件，只能在單方向上提供均溫傳熱。均溫板則在平面內(nèi)兩方向上具有均溫效果，它的主要結(jié)構(gòu)有上下層銅蓋、附著在銅蓋內(nèi)表面的毛細(xì)結(jié)構(gòu)層、中間起支撐作用的銅柱及其表層覆蓋的毛細(xì)結(jié)構(gòu)層。其傳熱原理是：熱源在底層蓋板傳熱后，熱量會(huì)在底層蓋板迅速擴(kuò)展開來，由于內(nèi)部附著的毛細(xì)結(jié)構(gòu)層作用，內(nèi)部填充的水介質(zhì)會(huì)迅速被加熱而變成水蒸汽。在內(nèi)部壓力差的作用下，水蒸汽被蒸發(fā)后擴(kuò)散到上層蓋板，在上下蓋板的溫差作用下，蒸汽遇冷而凝結(jié)成水并儲(chǔ)存在內(nèi)部毛細(xì)結(jié)構(gòu)層中。在毛細(xì)力和壓力差作用下，水被吸回到底層蓋板上的毛細(xì)結(jié)構(gòu)層內(nèi)，從而再次被蒸發(fā)，形成整個(gè)循環(huán)傳熱過程。由此可見，均溫板的傳熱過程與熱管類似，但是其傳熱效果是在二維空間，X、Y兩方向能等效傳熱。同時(shí)，其傳熱原理也是利用了內(nèi)部介質(zhì)的相變過程，傳熱效率比純固體銅高，因而在同一平面內(nèi)的多個(gè)熱源散熱應(yīng)用中得到廣泛應(yīng)用。

圖1 熱管工作原理示意圖

散熱翅片則是提供有效的散熱面積來幫助將基板上的熱量散發(fā)出去。通常設(shè)計(jì)時(shí)需要考慮翅片的間距、高度、厚度等參數(shù)。因?yàn)槌崞牟馁|(zhì)與基板一樣采用鋁材質(zhì)，其導(dǎo)熱系數(shù)為237 W/（m·K）左右。在加工工藝性方面限制了翅片的設(shè)計(jì)參數(shù)時(shí)，提高翅片的散熱性能對(duì)整個(gè)散熱器的性能有著至關(guān)重要的作用。

2 翅片的結(jié)構(gòu)優(yōu)化

2.1 常規(guī)純鋁翅片

常用的散熱翅片所用材質(zhì)為鋁材，因?yàn)槠鋫鳠嵝屎谩⒚芏容^低，其加工方式有多種工藝可實(shí)現(xiàn)，因而得到廣泛應(yīng)用。按其加工工藝分類，有鋁擠型翅片、壓鑄成型翅片、鑲嵌翅片等。各種工藝之間存在不同的翅片參數(shù)，如翅片高度、翅片厚度、翅片間距離等。由熱傳學(xué)基本公式可知：Q=-kAcΔT/L。式中：Q為傳熱功率，W；k為材料傳熱系數(shù)，W/（m·K）；Ac為傳播熱量的通過面積，m2；ΔT為2個(gè)面的溫度差，℃；L為2個(gè)面之間的距離，m。提高Ac/L的比值最有利于提高傳熱效率，因此很有必要研究如何提高翅片的散熱效率。

除了翅片本身的效率外，也得考慮翅片與基板之間的熱阻值，這部分熱阻值越小，整個(gè)散熱器的效率也越高。因此，為了減小翅片與基板之間的熱阻值，最有效的辦法是將翅片與基板設(shè)計(jì)成一體成型。通?？刹捎脭D出成型工藝或壓鑄成型工藝加工翅片。但由于加工工藝的限制，翅片的厚度、高度、齒間距受到加工工藝的限制，因而開發(fā)了鑲嵌翅片的工藝方法，翅片單獨(dú)加工，其高度與厚度可按設(shè)計(jì)需求來實(shí)現(xiàn)。再通過焊接與擠壓等方式來將翅片與基板結(jié)合為一體式。其結(jié)構(gòu)原理如圖3所示。

圖2 均溫板工作原理示意圖

圖3 焊接與擠壓翅片示意圖

2.2 多孔扁管翅片

如前面所介紹，所采用翅片為純鋁實(shí)體材料所形成，其傳熱效率主要決定于材料本身的導(dǎo)熱系數(shù)、翅片的厚度與高度。在質(zhì)量和成本的平衡下，翅片的厚度和高度比值不能做得很大，很大程度上限制了純鋁實(shí)體材料翅片的散熱效率。為此特開發(fā)了兩相流散熱翅片結(jié)構(gòu)來解決傳統(tǒng)散熱翅片效率低下的困境。

兩相流翅片就是在翅片內(nèi)部創(chuàng)建微通道結(jié)構(gòu)，內(nèi)部再充滿能產(chǎn)生相變的液體介質(zhì)。當(dāng)翅片在局部受熱時(shí)，內(nèi)部介質(zhì)受熱后迅速蒸發(fā)而變成氣態(tài)的導(dǎo)熱介質(zhì)，將局部熱量帶至冷凝端，在冷凝翅片的降溫作用下，氣態(tài)介質(zhì)又轉(zhuǎn)變?yōu)橐簯B(tài)的介質(zhì)。由此可見，兩相流翅片的散熱不再單純依靠翅片的本身材料來散熱，其中內(nèi)部的液體導(dǎo)熱介質(zhì)起了很大作用，大大提高了翅片的散熱效率。因此，兩相流翅片也成為一種新型的高效散熱翅片，特別是在自然對(duì)流散熱狀態(tài)下的散熱器上得到廣泛應(yīng)用，比如大力發(fā)展的5G基站散熱便越來越多采用這種翅片。

圖4所示是多孔扁管式翅片的基本結(jié)構(gòu)。其中多孔扁管是通過擠出成型加工，內(nèi)部形成微小的通孔結(jié)構(gòu)，用于存儲(chǔ)冷卻介質(zhì)并形成氣液轉(zhuǎn)換的通道。兩端的端蓋是通過鈑金折彎加工，再通過釬焊的方式將兩端端蓋和中間多孔扁管焊接成一體。這樣一來，兩端便形成了多孔流道的匯集腔體，將各個(gè)流道相互貫通。內(nèi)部冷卻液加熱后在流道內(nèi)迅速上升，遇頂部溫度較冷的散熱翅片后形成冷凝液沿流道迅速回流至底部熱源端，依此循環(huán)工作并最終形成了兩相流多孔扁管式翅片。

圖4 多孔扁管內(nèi)部示意圖

2.3 蜂窩狀流道翅片

蜂窩狀流道翅片是指翅片形成流道后的形狀與蜂窩形狀相似，內(nèi)部流道橫向和縱向均相互貫通。如圖5所示，從流道布置圖來看，流道的布置形狀將更加隨意，與上述多孔扁管流道翅片相比，翅片形狀可任意裁切成不規(guī)則形狀，隨熱源的分布不同而進(jìn)行流道的調(diào)整，這將大大減少散熱器整體質(zhì)量，在成本或整體質(zhì)量方面都將有更大優(yōu)勢(shì)。

圖5 蜂窩狀流道翅片示意圖

該翅片的加工工藝方式。采用的是一種高壓空氣吹脹工藝，多采用鋁板材來加工。首先在一層鋁板材上印刷碳粉形成流道區(qū)域，然后將另一層鋁板材覆蓋在印刷好的流道板材上，再經(jīng)過輥壓工藝軋制后將兩層板結(jié)合成一張板材。在沒有印刷碳粉的區(qū)域板材結(jié)合很致密，在有碳粉的區(qū)域便為流道預(yù)留了空間。接下來就是通入高壓空氣來吹脹有碳粉的流道區(qū)域，通過模具設(shè)定流道的高度，在兩層板之間形成一定的流道高度，并將多余的碳粉吹出，這樣便形成了所需要的流道翅片。再通過注入一定量的冷卻液后，整個(gè)翅片便形成了兩相流翅片。

從上述工藝介紹可知，該加工工藝流程相對(duì)較多，前期投入資金較大，此種翅片適合于大批量生產(chǎn)。該工藝在國內(nèi)比較成熟，穩(wěn)定性相對(duì)較高，翅片所承受的工作壓力較高，在通信和制冷行業(yè)得到大量應(yīng)用。

2.4 環(huán)形流道結(jié)構(gòu)翅片

通過以上兩種翅片的介紹可知，由于其內(nèi)部流道的增加，其翅片的性能均由冷卻液的相變過程所決定，性能會(huì)比原始的實(shí)體材料翅片有所提高。但同時(shí)也都存在相同的問題，就是流道不可能盡量接近翅片邊緣，受到了加工工藝的限制。這將導(dǎo)致翅片根部與熱源底部之間的熱阻還是由實(shí)體材料所決定。為了解決這一問題，特開發(fā)了該種類型的環(huán)形流道翅片。大致結(jié)構(gòu)如圖6所示。

圖6 環(huán)形流道翅片示意圖

該翅片的主要結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，主要由兩部分組成：一是開發(fā)的核心結(jié)構(gòu)環(huán)形流道扁管；另一個(gè)是起承載作用的翅片板材。為了確保足夠的承壓能力，環(huán)形流道扁管選擇多孔扁管彎曲成型，內(nèi)部注入一定量的冷卻液介質(zhì)，并焊接密封形成一體結(jié)構(gòu)。環(huán)形流道扁管與翅片之間采用膠焊的方式結(jié)合成一體，便形成了整個(gè)兩相流翅片。從結(jié)構(gòu)上看，該翅片的流道結(jié)構(gòu)能夠很好地接近翅片邊緣，在將翅片埋入熱源基板時(shí)，流道也可以同時(shí)埋入基板，這將大大增大流道與熱源之間的接觸，很大程度上減少了翅片與基板之間的熱阻，成功地解決了以上兩種翅片所存在的問題。

通過對(duì)以上3種翅片的介紹，每種翅片各有其特點(diǎn)，相互之間互為補(bǔ)充，為開發(fā)兩相流翅片散熱器奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

3 不同結(jié)構(gòu)翅片的性能對(duì)比測(cè)試

為了驗(yàn)證以上翅片的性能，設(shè)定一種特定的測(cè)試條件，分別對(duì)比測(cè)試其性能。如圖7所示，分別將翅片嵌入熱源基板中，保持相同的嵌入深度。將散熱器置于自然對(duì)流狀態(tài)下，并使用相同功率的熱源大小，本次測(cè)試采用100 W加熱功率，分別測(cè)試熱源的溫度、翅片上不同位置的溫度，記錄各點(diǎn)溫度，如表1所示。

圖7 翅片測(cè)試條件示意圖

表1 不同翅片性能對(duì)比測(cè)試℃

根據(jù)表1測(cè)試數(shù)據(jù)，經(jīng)過熱源的溫度對(duì)比發(fā)現(xiàn)，環(huán)形流道翅片對(duì)應(yīng)的熱源溫度相對(duì)較低，其次是多孔扁管翅片，再次是蜂窩狀翅片，純鋁翅片對(duì)應(yīng)的熱源溫度最高。測(cè)試結(jié)果與設(shè)計(jì)之初的設(shè)想基本一致，主要差別在于翅片上流道與基板上熱源之間的熱阻值。再對(duì)比每種翅片的均溫性，發(fā)現(xiàn)溫差最小的是蜂窩狀翅片，溫差最大的是純鋁翅片，溫差將近2倍。這也再次驗(yàn)證了兩相流翅片效率比純鋁翅片的效率高。

4 結(jié)語

經(jīng)過本文的研究表明：首先，兩相流翅片的傳熱效率高于相同材料的純實(shí)體材料翅片，也奠定了開發(fā)兩相流翅片的必然性；其次，提供了解決問題的思路，在原理分析正確的基礎(chǔ)上，可列舉多種解決問題的思路，并通過實(shí)驗(yàn)的方法驗(yàn)證其正確性。