热管传热性能检测系统及其检测评估方法.pdf

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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20071101I热管传热性能检测系统及其检测评估方法热管传热性能检测系统及其检测评估方法摘要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。

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VISUALBASIC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。

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IIASYSTEMFORMEASURINGTHEHEATTRANSFERPERFORMANCEOFHEATPIPEANDITSEVALUATINGMETHODABSTRACTThepowerratingandtheheatdissipationincreasesdramaticallyasthedensityoftheelectroniccircuitoncomputersprocessorincreasing.Therefore,theheatpipe,whichusesthephasetransitionoftheworkingfluid,iswidelyadoptedinthecoolingsystemforprocessor.Inordertoensurethequalityofheattransferperformanceofheatpipeinthemassproduction,asystemformeasuringtheheattransferperformanceofheatpipewasredesignedinaccordancewiththecharacterandworkconditionofheatpipe,thatisalsocalledQgo-nogomeasuringsystem,whichmainincludeheatpipe,heatingsystem,coolingsystemandtestingsystem.Theheatingsystemisdevelopedwiththefinmodelofheattransferandcontrolledthetemperatureofthesimulateprocessor，whichwastestedtheheatpipeifitcanbedissipatedthesettemperatureofthesimulateprocessorlessthanthespecificationinthelimitedtime.VisualBasic6.0asoperationsystemandestablishedanintegratedmeasuringmethodoftheheattransferperformanceofheatpipe.ThemeasurablecapabilityofthewholemeasuringsystemisverifiedbyaverageandrangemethodandANOVAmethodbaseontherelatedrequirementsofQS9000orISO/TS16949systemformeasuringsystem.Finally,atestexamplewasdetailedillustratedtheoperatingmethodofthemeasuringsystem.ThetestresultalsoverifiedthatthedeltaT,Tcasetemperature,Qin,thermalresistanceRhpandetc.canbefulfillingtheneedinthemassproduction.KEYWORDScomputersprocessor,heatpipe,thermalperformance,Qgo-nogomeasuringsystem,averageandrangemethod,ANOVAmethod上海交通大学上海交通大学学位论文原创性声明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，独进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结果由本人承担。

学位论文作者签名：

张张烈烈锋锋日期：

月日上海交通大学上海交通大学学位论文版权使用授权书学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全解学校有关保、使用学位论文的规定，同意学校保并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。

本人授权上海交通大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进检，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。

保密保密，在解密后适用本授权书。

本学位论文属于保密保密。

（请在以上方框内打“）学位论文作者签名：

张张烈烈锋锋指导教师签名：

程晓鸣程晓鸣日期：

月日日期：

月日上海交通大学工程硕士学位论文第一章绪论1第一章绪论第一章绪论1.1热管的用途和原理构造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（19711973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（19731978年）集成度达到5,0009,000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1CPU散热功率逐年变化情况Fig1Time-lineofpowerdissipationforCPU上海交通大学工程硕士学位论文第一章绪论2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。

图2典型的热管散热器Fig2Typicalmodelofheatpipeheatsink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。

上海交通大学工程硕士学位论文第一章绪论3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发段。

如此循环不已，热量由热管的一端传至另一端。

图3热管工作原理图Fig3Operationprincipleofheatpipe1.1.1热管基本理论热管基本理论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Pcap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Pv、冷凝液体从冷凝段回到蒸发段的压力降Pl和重力对流体流动引起的压力降Pg。

因此，PcapPv+Pl+Pg是热管正常工作的必要条件。

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，被吸液上海交通大学工程硕士学位论文第一章绪论4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：

（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。

1.1.2热管的构造1.1.2热管的构造热管大致说来是一根细长、中空、二头封闭的金属管子。

它有15公分长的，也有15公尺长的，其外部形状不拘，在理论上几乎任何形状的设计都是可以的。

上海交通大学工程硕士学位论文第一章绪论5管子的内壁附着一层毛细物体（Wick）。

毛细物体内浸湿着液体，这种液体称之为热管的工作液（Workingmedium），如此便是通常的热管了。

然而在实际上生产制造时并不如此单纯，其结构依导热量及温度的不同而异。

目前已制成的热管有用黄铜、镍、不锈钢、钨及其它合金做外壳的。

热管工作液的种类更多，它包括钾、钠、铟、铯、锂、铋、水银、水、木酒精、丙酮、冷冻剂（Freons）液态氮、液态氧及其它一些无机盐等。

事实上，热管的外壳及其工作液的选择都视热管的应用情况而定。

譬如在摄氏一千度以上的高温时，热管内部多用钾、钠等液态金属，但热管用于零下一百九十度时，则内部多用液态氮等。

热管的基本构造和工作原理：

热管的基本构造主要由封闭容器（Container）、毛细结构（wickstructure）与工作流体（workingfluid）所组合而成。

若依工作环境而分，热管则可分为蒸发段（Evaporatorsection）、绝热段（Adiabaticsection）、冷凝段（Condensersection）三个区域，其整体构造与工作原理如图4所示。

当发热组件与蒸发段接触时，热量会从发热组件传递给容器管壁、毛细结构与工作流体。

之后，工作流体因受热而吸收汽化潜热而变成蒸汽。

随着液体的持续蒸发，使得蒸发段的蒸汽压力高于冷凝段，因而驱动蒸汽经由热管中空的通道从蒸发段流向冷凝段。

蒸汽在冷凝段冷凝成液体后，会通过毛细结构并皆由毛细力返回蒸发段，使工作流体得以重复循环再利用，并持续地担负着热量传递的工作。

有鉴于此，热管的热传机制为两相传热（TwoPhaseTransferMechanism），系利用液体在封密管内蒸发的潜热来作为热传递，因此，其热传量非常大而且迅速，故被称为热的超导体，其热传系数高于铜棒数十至数百倍。

1.1.3热管的性质热管的性质热管是依靠自身内部工作液体相变来实现传热的传热组件，具有以下基本特性：

（1）很高的导热性热管内部主要靠工作液体的汽、液相变传热，热阻很小，因此具有很高的导热能力。

与银、铜、铝等金属相比，单位重量的热管可多传递几个数量级的热量。

当上海交通大学工程硕士学位论文第一章绪论6然，高导热性也是相对而言的，温差总是存在的，可能违反热力学第二定律，并且热管的传热能力受到各种因素的限制，存在着一些传热极限；热管的轴向导热性很强，径向并无太大的改善（径向热管除外）。

（2）优良的等温性热管内腔的蒸汽是处于饱和状态，饱和蒸汽的压力决定于饱和温度，饱和蒸汽从蒸发段流向冷凝段所产生的压降很小，根据热力学中的方程式可知，温降亦很小，因而热管具有优良的等温性。

（3）热流密度可变性热管可以独立改变蒸发段或冷却段的加热面积，即以较小的加热面积输入热量，而以较大的冷却面积输出热量，或者热管可以较大的传热面积输入热量，而以较小的冷却面积输出热量，这样即可以改变热流密度，解决一些其它方法难以解决的传热难题。

（4）热流方向的可逆性一根水平放置的有芯热管，由于其内部循环动力是毛细力，因此任意一端受热图4热管结构与工作原理Fig4Heatpipestructureandoperationprinciple上海交通大学工程硕士学位论文第一章绪论7就可作为蒸发段，而另一端向外散热就成为冷凝段。

此特点可用于宇宙飞船和人造卫星在空间的温度展平，也可用于先放热后吸热的化学反应器及其它装置。

（5）热二极管与热开关性能热管可做成热二极管或热开关，所谓热二极管就是只允许热流向一个方向流动，而不允许向相反的方向流动；热开关则是当热源温度高于某一温度时，热管开始工作，当热源温度低于这一温度时，热管就不传热。

（6）恒温特性（可控热管）普通热管的各部分热阻基本上不随加热量的变化而变，因此当加热量变化时，热管部分的温度亦随之变化。

但人们发展了另一种热管可变导热管，使得冷凝段的热阻随加热量的增加而降低、随加热量的减少而增加，这样可使热管在加热量大幅度变化的情况下，蒸汽温度变化极小，实现温度的控制，这就是热管的恒温特性。

（7）环境的适应性热管的形状可随热源和冷源的条件而变化，热管可做成电机的转轴、燃气轮机的叶片、钻头、手术刀等等，热管也可做成分离式的，以适应长距离或冲热流体不能混合的情况下的换热；热管既可以用于地面（重力场），也可用于空间（无重力场）。

1.2与热管传热性能测试相关的热管规格参数1.2与热管传热性能测试相关的热管规格参数由于热管的用途、种类和型式较多，再加上热管在结构、材质和工作液体等方面各有不同之处，故而对热管的分类也很多，常用的分类方法有以下几种。

（1）按照热管管内工作温度区分，热管可分为低温热管（-2730）、常温热管（0250）、中温热管（250450）、高温热管（4501000）等。

（2）按照工作液体回流动力区分，热管可分为有芯热管、两相闭式热虹吸管（又称重力热管）、重力辅助热管、旋转热管、电流体动力热管、磁流体动力热管、渗透热管、离心力热管、毛细力热管等等。

（3）按管壳与工作液体的组合方式划分（这是一种习惯的划分方法），可分为铜-水上海交通大学工程硕士学位论文第一章绪论8热管、碳钢-水热管、铜钢复合-水热管、铝-丙酮热管、碳钢-荣热管、不锈钢-钠热管等等。

（4）按结构形式区分，可分为普通热管、分离式热管、毛细泵回路热管、微型热管、平板热管、径向热管等。

（5）按热管的功用划分，可分为传输热量的热管、热二极管、热开关、热控制用热管、仿真热管、制冷热管等等。

用于CPU冷却领域的热管散热器通常都是使用微型、小型热管。

如图5所示常见热管的形状有U形，L形和直线形等等，其常见热管的直径有5mm，6mm，8mm，10mm。

本文研究主要以8mm毛细力金属粉末烧结（SinteredPowder）铜-水热管为研究例子。

与热管传热性能测试相关的热管规格参数需要在设计、制造热管时，给予明确的定义。

（1）.热管的外形几何尺寸；

（2）.热管的工作温度；（3）.热管的最大散热功率Qmax；（4）.热管的热阻系数值Rhp。

图5常见典型热管的形状Fig5Typicalmodelofheatpipe上海交通大学工程硕士学位论文第一章绪论91.3热管的传热性能检测现状1.3热管的传热性能检测现状热管是一种利用工质相变，在小温差条件下进行热量传递的高效传热组件。

作为传热组件的热管，最主要的指标是传热性能。

由于热管内部既有沸腾又有冷凝，传热机理非常复杂，致使至今尚无一种被大家公认的科学评价热管传热性能的方法。

过去十来年，资讯产品的发展主要以电脑为主轴，随着处理器（CPU）的运算能力不断提升，在Intel推出PrescottCPU（3GB以上）后，伴随着产生上百瓦的高热，使得热管散热器成为主流散热方案。

因应市场对热管的大量需求，热管的生产和品质得到很大地重视。

2002年，市场占有率最大的OEM厂商Dell电脑公司首次对热管性能的测试方法进行了规范，提出了对热管性能分两个阶段的测试。

第一个阶段：

开发阶段，热管传热性能测试需要测试热管的最大传热量Qmax，利用热管的热传极限，当超出其极限，则会导致热管的有效热导率严重下降，进而造成损坏。

依据热管的此特点，测试其Qmax来确定热管是否达到其设计的传热能力。

第二个阶段：

量产阶段，考虑到经济性利用热管的高热传特性，测试热管的蒸发端与冷凝端的温差T，也就是说，检验热管是否能够传导热。

2003年，阎小克等4提出一种等效对流系数法来评价热管的传热性能，此方法是将管内复杂的换热过程视为一种对流换热过程，用管内等效对流换热系数等价地来描述热管综合换热能力，文中未明确指出对流系数的大小如何衡量热管传热能力优劣的标准。

故本文将从热管传热性能温差测试法和最大传热量Qmax检测方法来对当前热管传热性能检测现状进行综述。

1.3.1传热性能温差测试方法1.3.1传热性能温差测试方法利用热管的高热传特性，其蒸发端与冷凝端较低的温差T。

目前，行业内结合实际应用，规定热管的蒸发端与冷凝端温差T2即为合格品5。

基于此要求，利用如图6所示的温差测试法来快速检测热管的散热性能。

上海交通大学工程硕士学位论文第一章绪论10图6a.直管温差测试Fig6aSchematicsetupofround-straight&flattenstraightshapedtemperaturedifferencetest图6b.U形弯管温差测试Fig6bSchematicsetupofU-shapedtemperaturedifferencetest上海交通大学工程硕士学位论文第一章绪论111相关参数定义：

（1）直管Tw（）：

水温。

即热管放入水中感应到的温度；tm（）：

热管蒸发端的温度,在热管的中间位置，温度感应器在水的上面；tt（）：

热管冷凝端的温度，在热管的顶部，距离顶端有15mm；T（）：

tm与tt之间的温度差，T=tm-tt。

（2）U形弯管Tw（）：

水温。

即热管放入水中感应到的温度；tm1（）：

左边部分热管中间位置的温度，温度感应器在水的上面；tm2（）：

右边部分热管中间位置的温度，温度感应器在水的上面；tm（）：

tm1和tm2的温度平均值，tm=（tm1+tm2）/2；tt1（）：

左边部分热管的顶部位置的温度，距离顶端有15mm；tt2（）：

右边部分热管的顶部位置的温度，距离顶端有15mm；tt（）：

tt1和tt2的温度平均值，tm=（tt1+tt2）/2；T（）：

tm与tt之间的温度差，T=tm-tt。

2测试设备的联接示意图图7温差测试设备联接示意图Fig7Connectdiagramoftemperaturedifferencetestfacility上海交通大学工程硕士学位论文第一章绪论123.测试原理在室温下，将可调温恒温水槽调到设定温度水温751,当恒温水箱达到设定温度后，同时依上图所示位置联接好感温线tt,tm（或tt1,tt2,tm1,tm2）点至电子温度计，然后将待测热管工件垂直放入恒温水槽25mm，测试20s后，记录tt,tm（或tt1,tt2,tm1,tm2）两点温度值,计算其差值T=tm-tt，判断其差值是否小于2?

如差值小于2，则工件为合格品，否则为不合格品。

1.3.2传热性能最大传热量检测方法1.3.2传热性能最大传热量检测方法利用热管的热传极限也就是最大热传能力Qmax原理来进行测试6。

任何一只都有其热传的极限Qmax，当超出其极限，则会导致热管的有效热导率严重下降，进而造成损坏。

依据热管的此特点，测试其Qmax来确定热管是否达到其设计的传热能力。

热管的最大热传送能力Qmax是指热管里面的液体在可能干涸现象（Dryout）出现以前的热传送极限。

在这个极限点，蒸发段温度和热阻都将如图8所示会出现急剧地上升现象。

图8热管的Dryout定义Fig8Dryoutdeterminationofaheatpipe上海交通大学工程硕士学位论文第一章绪