热管传热性能检测系统及其检测评估方法

上海交通大学工程硕士学位论文
第一章 绪 论
芯吸收。并用径向雷诺数来判定蒸汽的径向流动的情况。当|Rer|<<1 时，蒸汽流动 中粘滞力起支配作用，速度分布曲线接近于通常的 Poiseuille 抛物线。在|Rer|较大 时，蒸发段和冷凝段的流动情况有所不同。对于热管内汽-液交界面压差与质量流之 间的关系，在热管的蒸发段，为了维持工作液体连续的蒸发，必须使 Pse 大于 Pve； 而在冷凝段为了维持工作液体连续的冷凝，必须使 Pvc 大于 Psc；Pse 是与蒸发段液体 液体表面温度 Tse 对应的蒸汽压力；Pve 是蒸发段的蒸汽压力；Pvc 是冷凝段的蒸汽压 力；Psc 是与冷凝段液体表面温度 Tsc 对应的蒸汽压力。在热管的具体条件下，不计 辐射，热流密度由对流和传导两部分组成。热管工作时具有以下特征：
图 1 CPU 散热功率逐年变化情况 Fig1 Time-line of power dissipation for CPU
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第一章 绪 论
为了适应 CPU 性能的不断提高而对 CPU 的冷却散热手段提出新的要求，CPU 的冷却方式发生了许多变化。从最初的自然对流散热到在 CPU 芯片上安装自然对 流的散热器，到现在常规的使用风扇强迫冷却的散热器。常规的散热器的散热方式 都是采用铝制、铜制散热片外加风扇，依靠的是单相流体的强迫对流换热方法，这 些方法只能用于热流密度不大于 10W/cm2 的 CPU 散热，目前已经不能够满足 CPU 芯片稳定工作的需要，特别是随着内部散热空间的减小，已无法采用常规的散热方 式，必须采用新的技术来运用于 CPU 冷却中。由于热管具有极高的导热性、优良 的等温性、热流密度可变性、热流方向的可逆性、恒温环境的适应性等优良特点， 可以满足 CPU 对散热装置紧凑、可靠、控制灵活、高散热效率、不需要维修等要 求[2]。典型的热管散热器如图 2 所示。目前，热管技术已经广泛应用在电气设备散 热、CPU 和电子器件冷却、半导体组件以及大规模集成电路板的散热方面。
(1)轴向传热量大； (2)轴向和径向的温度梯度都很小； (3)轴向导热量和对流相比可略去不计。 因此，热管的轴向对流的传热方式主要是对流(包括气体、液体两部分)。轴向 传热是由蒸汽流到冷凝段释放出潜热完成的。 Cotter 理论的基本内容如下： 1.根据静力平衡条件确定了最大毛细压差与热管最大长度的关系； 2.根据质量守恒定律、连续性方程及 Hagen-Poiseuille 方程导出流体压降的微分 方程； 3.确定热管内蒸汽流动压降的微分方程； 4.根据气体分子动力理论建立汽-液质量传递的关系式； 5.根据能量守恒定律，建立热流量和质量流量间的关系式； 6.给出特定的条件下(均匀加入热量和均匀输出热量)的微分方程解，即单位长 度上的热流量； 7.提出最佳热管毛细液芯尺寸。
The test result also verified that the delta T, Tcase temperature, Qin, thermal resistance Rhp and etc. can be fulfilling the need in the mass production.
上海交通大学 硕士学位论文 热管传热性能检测系统及其检测评估方法 姓名：张烈锋 申请学位级别：硕士 专业：工业工程 指导教师：程晓鸣;赵福星
20071101
热管传热性能检测系统及其检测评估方法
摘要
计算机芯片的集成度倍增，使得芯片功率和散热量增加。利用液体工质的相变 传热的热管散热器被广泛运用于 CPU 冷却。为了满足热管大批量生产环节的传热 性能检验质量控制，结合热管的基本性质和实际工作特点，重新设计了热管传热性 能检测系统，简称为 Qgo-nogo 检测系统，它主要包括热管工件、加热系统装置、冷却 系统装置和测量系统四部分。
KEY WORDS computer's processor, heat pipe, thermal performance, Qgo-nogo measuring system, average and range method, ANOVA method
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上海交通大学 学位论文原创性声明
本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究工 作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人 或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集 体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承 担。
结果表明：Qgo-nogo 检测系统能够同时测出热管的温差△T，Tcase 温度，传热能 力 Qin 及热管的热阻 Rhp 等参数，并且测试时间也能够满足大批量生产在线检测质量 控制的产能要求。
关键词 计算机芯片，热管，传热性能，Qgo-nogo 检测系统，均值全距法，变异数分 析法
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A SYSTEM FOR MEASURING THE HEAT TRANSFER PERFORMANCE OF HEAT PIPE AND ITS EVALUATING METHOD
保密□，在 年解密后适用本授权书。 本学位论文属于
不保密□。√ （请在以上方框内打“√＂）
学位论文作者签名：张 烈 锋
指导教师签名：程晓鸣
日期： 年 月 日
日期： 年 月 日
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第一章 绪 论
第一章 绪 论
1.1 热管的用途和原理构造
随着计算机在科研和工程领域中的广泛应用，目前对 PC 机能够处理的数据和 运行的速度要求越来越高，这使得芯片的集成度倍增。从 Intel 推出的第一代微处理 器和微型计算机(1971~1973 年)其集成度约为 2,000 管/片，到第二代微处理器和微 型计算机(1973~1978 年)集成度达到 5,000~9,000 管/片，一直到 1993 年 3 月，Intel 公司正式推出第五代微处理器 Pentium 集成度已经高达 310 万管。2004 年 Intel 公司 推出下一代 64 位处理器 Madison 和 Deerfield，其微处理器里的晶体管数目超过 5 亿个，据 Intel 公司估计，到 2011 年微处理芯片所带的晶体管数目可达到 10 亿个。 晶体管数目的显著增加直接导致了芯片功率和散热量的增加。在 2000 年，个人电 脑(PC)里使用的处理器的计时速度接近 1GHz 了，散热量接近 50W，但是在 2004 年 处理器的计时速度已经超过了 3.0GHz 了而散热量接近了 100 瓦[1]。图 1 显示了近年 来 CPU 散热功率的逐年变化的情况。
图 2 典型的热管散热器 Fig2 Typical model of heat pipe heat sink
热管技术是利用液体工质的相变传热，具有极高的传热效率，内热阻极小，当 量导热系数极高，且具有很好的等温性，因此散热效果好，噪音低，使用寿命长。
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第一章 绪 论
它的工作原理如图 3 所示[3]，具体过程为：当热管的一端受热时毛细芯的液体蒸发 汽化，蒸汽在微小的压差下流向另一端放出热量凝结成液体，液体再沿多孔材料靠 毛细力的作用流回蒸ห้องสมุดไป่ตู้段。如此循环不已，热量由热管的一端传至另一端。
热管吸液芯中流体流动一般为层流。Cotter 建议用类似管内流动的公式来计算 吸液芯多孔物质中液体的流动阻力。对于热管内蒸汽的流动压降，考虑了蒸汽的径 向流动所产生的影响。并假定蒸汽的轴向流动为不可压缩层流流动，在蒸发段有蒸 汽均匀地沿径向注入到流道中，而在冷凝段有蒸汽沿径向均匀地流向管壁，被吸液
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ABSTRACT
The power rating and the heat dissipation increases dramatically as the density of the electronic circuit on computer's processor increasing. Therefore, the heat pipe, which uses the phase transition of the working fluid, is widely adopted in the cooling system for processor. In order to ensure the quality of heat transfer performance of heat pipe in the mass production, a system for measuring the heat transfer performance of heat pipe was redesigned in accordance with the character and work condition of heat pipe, that is also called Qgo-nogo measuring system, which main include heat pipe, heating system, cooling system and testing system.
学位论文作者签名：张 烈 锋
日期： 年 月 日
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通过对加热系统的设计改进，利用传热学中肋片的导热模型原理来给定模拟 CPU 上发热源温度，检验热管能否在有限的时间里将发热源温度控制在指定的范围 内 。 并 建 立 了 一 套 完 整 系 统 的 热 管 传 热 性 能 检 测 方 法 。 参 照 QS9000 或 ISO/TS16949 对量测系统的相关要求，采用均值-全距法和变异数分析法分别对整个 量测系统进行了全面的分析比对。同时通过 VISUAL BASIC 程序语言编写的界面测 试系统的软件来控制整个量测系统。最后列举了一个实际案例，详细地介绍了这套 检测系统的检测方法。
1.1.1 热管基本理论
图 3 热管工作原理图 Fig3 Operation principle of heat pipe
Cotter 在 1965 年首次提出了较完整的热管理论，从此奠定了热管研究的理论基 础[1]，也成为热管性能分析和热管设计的根据，即 Cotter 理论。
Cotter 理论认为热管蒸发段和冷凝段两端的毛细压力差 ΔPcap 是热管内部工作液 体循环的推动力，是用来克服蒸汽从蒸发段流向冷凝段的阻力降 ΔPv、冷凝液体从 冷凝段回到蒸发段的压力降 ΔPl 和重力对流体流动引起的压力降 ΔPg。因此，ΔPcap ≥ΔPv+ΔPl+ΔPg 是热管正常工作的必要条件。
The heating system is developed with the fin model of heat transfer and controlled the temperature of the simulate processor，which was tested the heat pipe if it can be dissipated the set temperature of the simulate processor less than the specification in the limited time. Visual Basic6.0 as operation system and established an integrated measuring method of the heat transfer performance of heat pipe. The measurable capability of the whole measuring system is verified by average and range method and ANOVA method base on the related requirements of QS9000 or ISO/TS16949 system for measuring system. Finally, a test example was detailed illustrated the operating method of the measuring system.