基于ANSYS Icepak的熱管模塊設計與仿真分析*

李麗麗，孫立穎，韓捷飛

（蘇州蛟視智能科技有限公司，江蘇 蘇州 215123）

引 言

熱管由管殼、吸液芯和端蓋組成。將管內空間抽成1.3×10-4～1.3×10-1Pa的負壓后充以適量的工作液體，使緊貼熱管內壁的吸液芯毛細多孔材料中充滿液體，然后密封，注意工作液體與殼體、吸液芯材料需要具有較好的的相容性。熱管是主要依靠工作液體的相變來實現傳熱的傳熱元件，具有傳熱能力強、均溫性好、便于從狹窄空間取出熱量、能夠遠距離傳輸熱量、結構簡單、工質循環無需消耗電能、可靠性高、維修量小等優點，但它對重力影響敏感，低溫啟動困難且內部氣壓較高。熱管根據內部填充物可以分為深冷熱管、低溫熱管、中溫熱管和高溫熱管。工程實際中，熱管采用水作為工作介質，溫度范圍為30°C～250°C[1–2]。

文獻[3–4]對鰭片式熱管的傳熱過程進行了研究，并提出鰭片特點對散熱效果的影響。文獻[5–7]基于計算流體動力學（Computational Fluid Dynamics,CFD）對熱管的散熱特性進行模擬仿真，快速解決實際應用問題。文獻[8–12]對絲網型、空心套、銅基多孔芯等吸液芯熱管的設計、傳熱性能、制備工藝、毛細特性等進行了研究。文獻[13–14]研究了壓扁型超薄熱管的制造方法和傳熱性能，包括熱管壓扁厚度、吸液芯粉層厚度和銅粉直徑對熱管傳熱性能的影響。

一般高功率系統芯片采用風扇與肋片式散熱器組合的散熱方式，存在體積大、高度高、不方便整合在小型系統中等問題。而且，一般外殼與發熱元件之間直接接觸的是中間的芯片，其他的元件都是采用導熱泥補償大縫隙的方式進行導熱，因此周邊小元件的散熱效果一定較差。本文采用熱管、風扇、銅鰭片散熱器組合的散熱方式，減小了整個模塊的體積，提高了芯片的散熱效率。

Icepak是ANSYS系列軟件中針對電子行業的散熱仿真優化分析軟件，解決電子行業涉及的散熱、流體等相關工程問題，如強迫風冷、自然冷卻、印制電路板各向異性導熱率計算、熱管數值模擬、半導體致冷器制冷、液冷模擬、電子產品恒溫控制計算等工程問題。文獻[15]利用Icepak對航天電子產品進行散熱優化仿真分析，提升了產品的可靠性，縮短了產品研發周期，降低了研發成本。文獻[16]利用Icepak對多密度高功率芯片散熱器進行了熱設計研究，提出了散熱結構的最佳布局方案，并通過實驗驗證了軟件仿真的準確性和可靠性。本文利用Icepak對熱管模塊進行熱穩態仿真，驗證其設計的合理性，最后將其裝入系統進行溫度測試，驗證仿真的準確性。

1 熱管模塊設計

在環境溫度為25°C時，高功率系統芯片在自然對流換熱下溫度可超90°C，如果采用一般的風扇與肋片式散熱器進行強迫風冷，溫度可以控制在38°C左右。熱管散熱如果想要實現良好的工作狀態，工作液體必然處于氣液兩相狀態。根據芯片熱源的溫度范圍，可以采用熱管實現導熱，從上到下依次是電路板、鋁合金板和銅板?？梢栽敿殰y量電路板上各元件的尺寸并對整個模塊進行建模，加工一個鋁合金板，上面的各個凸臺與電路板上的發熱元件緊密接觸，將芯片位置挖空，以方便熱管模塊的銅板與芯片直接接觸導熱。銅板中間有個凸臺，這個凸臺與芯片直接接觸，并用導熱硅脂填補細小縫隙。熱管模塊與鋁合金板通過周圍的螺絲孔固定。這樣模塊的整體高度變低、體積減小，能夠滿足小系統的需求。該模塊在系統的后方，可以用風扇直接向系統外抽風進行冷卻。

熱管的工作原理是：熱管的一端為蒸發段（加熱段），另一端為冷凝段（冷卻段），連接蒸發段和冷凝段的是絕熱段。外部熱源的熱量通過蒸發段的管壁和浸滿工質的吸液芯的導熱使液體工質的溫度上升，液面蒸發，直至達到飽和蒸氣壓，此時熱量以潛熱方式傳給蒸氣。蒸發段的飽和蒸氣隨著液體的溫度上升而升高，在壓差的作用下，通過蒸氣通道流向低壓且溫度也較低的冷凝段，并在冷凝段的氣液界面上冷凝，放出潛熱。放出的熱量從氣液界面通過吸液芯和管壁的導熱傳給管外冷源。冷源的液體通過吸液芯回流到蒸發段，完成一個循環。如此往復，不斷地將熱量從蒸發段傳至冷凝段[2]。

熱管冷凝段冷源是銅鰭片，根據選用銅鰭片的尺寸特點，在銅鰭片上設計了臺階，臺階高度為3 mm。一個臺階寬10 mm左右，另一個臺階寬8 mm左右，因此正好可以選用一根直徑為8 mm的熱管。根據說明書，該熱管可以傳遞的功率是80 W，將其壓扁到5 mm，寬度變為9 mm左右。另一根直徑6 mm的熱管可以傳遞的功率是60 W，將其壓扁到3 mm，寬度變為8 mm左右。根據模塊結構特點和系統內部尺寸要求，可以將熱管折彎90°。壓扁和折彎后，熱管傳熱功率會略有降低，但一般高功率系統芯片的功率在20 W左右，因此兩根熱管能夠滿足傳熱需求。通過整合設計確定熱管模塊包括銅板、熱管和銅鰭片散熱器，采用回流焊機將這些零件焊在一起。本文針對NVIDIA JETSON TX2的高功率電路板進行熱管散熱設計，風扇采用軸流式風扇，其高度與3個銅鰭片散熱器的高度基本一致，考慮到系統內部空間足夠，因此采用3個銅鰭片散熱器。熱管模塊整體結構裝配體如圖1所示。

圖1 熱管模塊

2 熱管模塊計算驗證

電路板熱源通過熱管模塊與周圍環境換熱的過程較為復雜，業界一般通過分析不同換熱過程對應的熱阻來解釋說明熱管換熱器的換熱性能，圖2是用芯片–散熱器結構的主要熱阻表示的熱管模塊等效熱路圖。圖中：Tj為芯片溫度；Tf為環境溫度。熱管從熱源到冷源間的熱量傳輸過程由圖2中9個環節組成，分別對應的熱阻為R1～R9[4]。

圖2 熱管模塊等效熱路圖

熱源到蒸發段外壁有0.05 mm厚的導熱硅脂和2.5 mm 厚的紫銅板，熱源到蒸發段外壁的傳熱熱阻為：

式中：b1為導熱硅脂厚度；b2為紫銅板厚度；k為導熱硅脂的導熱系數，5.0 W/(m·K)；λ為紫銅板的導熱系數，368 W/(m·K)；A1為導熱硅脂面積，1.8×10-3m2；A2為紫銅板面積，9×10-3m2。代入數據得R1=0.006 3 K/W。

蒸發段固體壁的導熱熱阻為：

式中：b為熱管壁厚，1 mm；λ=368 W/(m·K)；A為兩根熱管面積（傳熱面積），1.6×10-3m2。代入數據得R2=0.001 7 K/W。

熱管蒸發段的蒸發熱阻為：

式中：h為蒸發段的沸騰換熱系數，4 000 W/(m2·K)；A=1.6×10-3m2。代入數據得R3=0.15 K/W。

R4為熱管蒸發段到冷凝段間蒸氣的流動熱阻。蒸氣的壓降導致飽和溫度下降，這等價于存在一個熱阻。但實際上壓降很小，所以相應溫差也很小，因此：

R5為熱管冷凝段凝結換熱熱阻。對于實際應用中的凝結熱阻，可用與蒸發熱阻相同的方式簡化處理：

式中：h′為冷凝段的凝結傳熱系數，4 000 W/(m2·K)；A′為兩根熱管面積（傳熱面積），A′=2.4×10-3m2。代入數據得R5=0.1 K/W。

熱管冷凝段固體壁的導熱熱阻為：

代入數據得R6=0.001 1 K/W。

冷凝段外側焊接銅鰭片散熱器，通過風扇強制對流換熱，熱管冷凝段外壁面與冷源間的換熱熱阻為：

式中：At為銅鰭片總表面積；hc為風扇強制對流換熱系數；η0為風扇強制對流換熱效率。

先計算hc。查表得環境溫度為25°C，空氣的物理特性為：比熱容cp= 1 005 J/(kg·°C)；普朗特數Pr= 0.702；動力粘度μ= 1.79× 10-5Pa·s；空氣密度ρ= 1.2 kg/m3[1]。兩個風扇每個風量為0.005 8 m3/s，總風量為0.011 6 m3/s，總質量流量為：

銅鰭片上每個散熱通道的當量直徑為：

式中：S為通道的橫截面積；U為通道的周長。通冷卻空氣的通道數為180個，每個通道的質量流量為：

每個通道的單位面積質量流量G′為：

每個通道的雷諾數為：

式中，v為空氣流速。由于通道為肋片式通道，考爾本數為：

因此，hc為：

則ml=44×10.4×10-3=0.46。肋片的效率為：

肋片的有效面積為：

式中：Ap為未被肋片根部遮蓋的基壁表面積；Af為肋片表面積。帶肋片壁面的總表面積為：

因此，η0為：將以上計算結果帶入式（7）得R7=0.2 K/W。

R8為熱管管壁沿長度方向的傳熱熱阻，R9為空氣對流傳熱熱阻。這兩個熱阻通常很大，因此忽略這兩條散熱路徑對結果影響不大。電路板總功率Φ ≈25 W，假設25 W功率全部轉換為熱量，可以計算出散熱器的溫度Ts、熱管溫度Tr和芯片溫度Tj：

從計算結果看，采用熱管散熱模塊符合芯片散熱要求。

3 散熱器仿真分析

以上計算較為復雜、繁瑣，這還只是一種驗證，如果涉及到兩三種方案，計算量將會更大，可以通過仿真來驗證模塊是否能夠滿足工作要求。為了方便計算，這里只考慮芯片這一個25 W熱源。Icepak的熱仿真流程為[17]：

1）利用三維建模軟件對銅板和熱管進行建模，將銅板上的安裝孔刪除，將三維模型導入ANSYS的DM中，對熱管和銅板使用Simplify的Level3進行轉換，選擇Face quality為Very fine，可以保證轉換后的熱管和銅板形狀保持不變。銅鰭片的厚度為0.2 mm，與銅板的最大尺寸相比，細長比較小，需要提取銅鰭片的薄殼單元，可以只建立邊緣的一個鰭片，將其簡化為plate模型。

2）將簡化后的模型導入Icepak中，雙擊銅鰭片（plate類型），設置其類型為傳導薄片，材質為銅，厚度為0.2 mm。點擊復制命令將銅鰭片陣列化。對計算區域進行設置，長330 mm，寬116 mm，高90 mm。對風扇參數進行設置，風扇類型為向外抽風，因為風扇位于系統后端，前面還有高度更高的器件，風扇的風量為0.005 8 m3/s，因此設置兩個風扇并對風扇出口進行設置?？紤]到熱源面尺寸較小，此處用面熱源代替實際的塊熱源并對面熱源的尺寸進行設置，設置熱源功率為25 W。對熱管的材料進行定義，由于Icepak不能模擬熱管內工質相變的過程，因此在模擬熱管的過程中，主要是給熱管模型輸入一個導熱率來進行散熱模擬，只能模擬熱管傳熱效果。在不變形的情況下，8 mm和6 mm直徑熱管的導熱系數約為50 000 W/(mm·°C)，考慮到變形，本次仿真將兩根熱管的導熱系數設置為40 000 W/(m·°C)。然后設置銅板的材質屬性。

3）網格劃分。模型中含有異型混合網格劃分，因此采用多級網格劃分，對不同的模型對象設置相應的多級級數，熱管一般為3級，銅鰭片為2級，其他的為1級。銅鰭片尺寸最小，劃分后需要確認銅鰭片網格是否貼體，如果網格未能貼體，會造成計算不收斂，即使計算收斂，但因沒能正確表達原始模型，會造成計算誤差較大。檢查銅鰭片與熱管是否完全接觸，兩者網格是否完全貼體，如果沒有完全貼體，兩者之間將不能良好導熱。最終劃分的網格數為167 013，結點數為184 411。網格面對齊率和網格偏斜度如圖3所示。面對齊率小于0.15表示網格質量不好，越接近1質量越好。網格偏斜度可以衡量劃分的網格與理想網格的接近程度，其值越接近1，網格越接近等邊形，質量就越好。從圖3結果看，網格質量好，能滿足仿真要求。

4）求解器設置。設置模型的散熱方式為強迫風冷，忽略自然對流及輻射換熱，選擇穩態計算。根據前面設定的參數以及Icepak自動計算的模型雷諾數和普朗特數，判斷空氣流態為湍流。前文計算的單個通道雷諾數為780，這是因為計算時用均勻風源代替了風機模型。將環境溫度設置為25°C，默認流體為空氣并忽略重力影響。設置溫度監控點用于判斷計算求解的收斂性。Icepak采用Fluent求解器進行計算，具有魯棒性好、計算精度高等優點。Icepak熱穩態溫度分布仿真結果如圖4所示，兩根熱管從芯片的正中間穿過，芯片的最低溫度約為37°C，芯片存在局部熱點，最高溫度為44.2°C，靠近熱管處的溫度約為38°C。

圖4 Icepak熱穩態溫度分布

4 實驗研究

仿真結果表明，熱管模塊設計滿足芯片電路板的散熱要求?？梢酝ㄟ^實驗驗證仿真結果的正確性和可靠性。

NVIDIA JETSON TX2的高功率電路板和原裝散熱模塊如圖5所示。通過回流焊機將定制好的熱管、購買的銅鰭片和加工的銅板用低溫焊錫焊膏焊接到一起，確保熱管、銅板、銅鰭片之間沒有小間隙。將焊好的模塊和電路板進行裝配，如圖6所示，裝入系統后進行聯機測試。原肋片式散熱模塊的溫度測試如圖7所示，芯片溫度約為38°C。熱管模塊的溫度測試如圖8所示，芯片溫度約為37°C。測試結果表明，熱管散熱模塊可以滿足芯片電路板的散熱要求。

圖5 NVIDIA電路板和原裝散熱模塊

圖6 實驗電路板和熱管散熱模塊

圖7 原裝散熱模塊穩態溫度

圖8 熱管模塊穩態溫度

5 結束語

為了滿足高功率系統芯片的散熱需求，并將散熱模塊整合在小型系統中，本文采用熱管散熱方式以滿足小而薄系統的使用要求，并利用仿真分析和實驗研究相結合的方法對熱管模塊設計的合理性進行校核，具體結果如下：

1）NVIDIA JETSON TX2原裝散熱模塊的尺寸為105 mm×105 mm×6 mm，改為熱管散熱模塊后尺寸變為90 mm×100 mm×25 mm，銅鰭片散熱部分的尺寸為55 mm×35 mm×22 mm，重量比原來的模塊略輕。

2）利用熱仿真專用軟件Icepak對熱管模塊進行熱穩態仿真分析，得到熱穩態溫度分布，發現芯片的溫度約為37°C。銅板上部存在局部熱點，最高溫度為44.2°C，靠近熱管處的溫度約為38°C。這與計算結果有一定的差距，其原因是仿真中風扇抽風時散熱器通道的風量不均勻，而計算結果是由平均值算得，并且仿真做了很多簡化。

3）將熱管散熱模塊和原裝肋片式散熱模塊裝入系統進行聯機測試，發現采用原裝肋片式散熱模塊時芯片溫度約為38°C，采用熱管散熱模塊時芯片溫度約為37°C。這與計算結果基本一致，表明熱管模塊可以滿足芯片電路板的散熱要求，Icepak的熱管模塊熱穩態仿真準確、可靠，可為后續熱管模塊的設計提供參考。