三维振荡热管应用在芯片冷却的可行性研究
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摘 要：本文提出了三维振荡热管应用在芯片冷却的可行性，并研究其热阻变化。实验研究了风速与功率对热管热阻的影响，结果表明气流分布对热管的运行存在很大影响。
关键词：实验研究;芯片冷却;三维振荡热管
1 概况
振荡热管是一种新型的热管，由于其结构简单，操作灵活，适用性强，已广泛应用于各种电子设备的冷却。它也被称为脉动热管，由Akachi [1]于20世纪90年代首次引入。震荡热管由毛细管制成，毛细管被弯曲成多个回路并注入一定数量的工质。热管结构包括三个部分：蒸发部分，绝热部分和冷凝部分。工质在蒸发端受热蒸发后经由绝热段在冷凝端放出热量，形成汽塞液柱交替分布的流体并产生振荡运动。在这个过程中，风冷系统被广泛用于热管冷凝端的散热过程。
实验设计了用于电子元器件冷却的三维振荡热管。大量实验表明三维振荡热管具有比传统热管更好的性能[2]。实验研究了风速以及加热功率对三维振荡热管的影响，发现热阻随着不同的风速变化而变化。实验验证了气流组织分布对三维振荡热管的应用至关重要。众所周知，风扇单元调节风量具有低消耗，高效率的特点 [3]。本文设计的风扇单元由轴流风扇，导向单元组成，导向单元用于调节风向从而改变气流组织分布。通过调节风扇单元的转速以及导向单方向来研究气流组织分布。
2 实验装置
图中描绘了三维振荡热管的几何模型。热管的长度和宽度分别为90mm和90mm。 热管沿宽度方向具有四层。热管使用去离子水作为工质，充液率为62%。热管的内径为3mm，外径为5mm。
采用空气冷却系统对热管的性能进行测试，冷却空气由室内空调单元提供。送风管的宽度为600mm，高度为150mm。通过控制系统对送风风速和温度进行调节以便以规定的温度和速度冷却震荡热管。
3 多因子設计
采用完全析因设计对CFD结果进行分析以了解设计参数如何影响气流组织分布。适当的实验方法设计可有助于实现这一目标[4]。
全因子实验是一种实验设计方法，指以多因素（两个或两个以上）为研究对象，探求各因素的主效应和因素间的交互效应。其设计由两个或多个因子组成，每个因子具有离散的可能值或“水平”，并且实验结果在各因子中采用这些水平的所有可能组合。全因子实验可以处理更多信息，它允许研究者研究每个因素对响应变量的影响，以及因子之间相互作用对响应变量的影响。
在这项研究中，设计了一个2×2×3因子实验设计来研究气流分布。因子G是导向单元的倾斜角度，用于引导气流的流动方向。因子G具有三个连续的水平：60°用“1”表示，75°用“2”表示，90°用“3”表示。因子V是入口风速。因子V有两个连续的水平：1m/s用“-”编码，2m/s用“+”编码。因子C有两个分类：以“-”标记的无冷通道设计以及以“+”标记的冷通道设计。
4 实验结果分析
4.1 热阻分析
总体上热阻随着加热功率的增加而降低。在启动之前，热阻的变化范围很窄，有时甚至会先降低再上升，参考文献[11]中也报告了相同的结果。同时随着风速的增加，热管的热阻也会降低。当加热功率较高时，三维振荡热管启动，热阻随着加热功率的增加而降低。随着风速的增加，热阻也会增加。可以发现热阻和风速之间的关系在不同的加热功率下具有相关性。
4.2 气流组织分布分析
当安装导向单元时，作为一种定向送风方案，气流呈现出明显的方向性。由于方向性的存在，第三层服务器的速度变化最大。然而，定向送风会导致空气回流问题的家居，它可以在矢量图中用虚线框标记来证明。分析导向单元的效果，我们发现，通常第一层和第二层的速度高于第三层和第四层。
5 结束语
本文提出了一种用于电子元器件冷却应用的三维振荡热管。在不同的加热功率和风速下对热阻进行测试。结果表明，热阻随着加热功率的增加而降低，同时热阻和空气速度之间的关系在不同的加热功率下具有相关性。研究三维振荡热管的气流组织分布。基于CFD方法建立机架级模型，采用风扇单元作为调节器，对机柜的气流组织分布进行了研究。采用完全析因设计进行实验分析。通过设置风扇速度，导向单元角度以及通道封闭性作为影响因素，以风速作为响应变量，从而研究了各因素对气流组织分布的影响。
结果表明，轴流风扇与导向单元结合可以实现定向送风从而改变气流组织分布。但是，应该考虑以下问题：定向送风会加剧空气回落问题。而冷通道封闭是一种解决空气再循环问题的有效方案，其具有成本低廉的特点。在实际运行中，服务器第三层和第四层被定义为具有较大气流风速的区域，并且它们易受到风扇的影响，这应该被考虑在三维振荡热管的应用中。
参考文献：
[1] Akachi H. Structure of a heat pipe： U.S. Patent 4，921，041[P].1990-5-1.
[2] Ibrahim O T，Monroe J G，Thompson S M，et al. An investigation of a multi-layered oscillating heat pipe additively manufactured from Ti-6Al-4V powder[J].International Journal of Heat and Mass Transfer，2017（108）：1036～1047.
[3] Rahman M L，Sultan R A，Islam T，et al. An experimental investigation on the effect of fin in the performance of closed loop pulsating heat pipe （CLPHP）[J].Procedia Engineering，2015（105）： 137～144.
[4] Kim N H，Choi M H，Kim S Y，et al.Design of experiment （DOE） method considering interaction effect of process parameters for optimization of copper chemical mechanical polishing （CMP） process[J].Microelectronic Engineering，2006（3）： 506～512.
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