當(dāng)電子設(shè)備的空氣冷卻達(dá)到能力極限后，采用的下一代冷卻技術(shù)很可能就是熱管和單相、兩相冷卻劑回路(包括可能的回路熱虹吸、噴淋制冷、蒸汽壓縮制冷循環(huán)和回路熱管)。這些技術(shù)領(lǐng)域并不適合采用2D/3D計(jì)算流動動力學(xué)(CFD)軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)和分析，同樣傳統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)示意圖類型的模擬方法在面對這種有著復(fù)雜幾何結(jié)構(gòu)的熱/結(jié)構(gòu)模型時(shí)也顯得非常笨拙。

　　這篇文章介紹了在3D熱模型內(nèi)用CAD線繪制方法快速生成1D熱管和冷卻劑回路的流動模擬技術(shù)。流體回路的管線和彎頭能與平板和其它曲面融于一體、或以線接觸、支架接觸等形式連接，無論這些曲面是用熱有限差分方法還是用有限元方法生成、哪怕是兩者的結(jié)合體都行。流體管線同樣也能變換和調(diào)整以描述復(fù)雜的換熱器和滿足安裝的垂直度要求。

　　為演示這些概念，給出了兩個(gè)有明顯區(qū)別的例子：一個(gè)是銅-水熱管，一個(gè)是帶有回型管冷凝器的鋁-氨回路熱管。文章也總結(jié)了這些設(shè)備系統(tǒng)級模擬的數(shù)值要求。

　　超越空氣冷卻

　　強(qiáng)迫空氣對流冷卻應(yīng)當(dāng)是目前電子產(chǎn)品降溫的最常用的方法，但是，高于每秒3～4米的空氣速度已經(jīng)很難達(dá)到了。因此，隨著熱流密度的增加和封裝組件(多芯片模塊MCMs)的出現(xiàn)，空氣冷卻很快就達(dá)到了利用的極限。這種極限事實(shí)上已經(jīng)在高功率密度領(lǐng)域被超出。在許多其它應(yīng)用中，空氣冷卻也不再是最好的工程解決方案，但是仍然由于政治和基礎(chǔ)設(shè)施方面的阻礙(不是技術(shù)原因)被持續(xù)應(yīng)用，而未邁出應(yīng)有的一步。

　　應(yīng)有的一步是什么?什么能超越空氣冷卻?單相液體流動冷卻可能是代表這種科技進(jìn)步的一小步(ref1-2)，盡管目前密封熱管仍然作為空氣冷卻的有效輔助手段受到歡迎。一些組織已經(jīng)推斷，如果向系統(tǒng)內(nèi)加入流體的阻礙一定要克服的話，那么應(yīng)當(dāng)跳過單相系統(tǒng)直接使用兩相系統(tǒng)，因?yàn)樗鼈兙哂懈土魉俸透邆鳠嵯禂?shù)。這樣的兩相系統(tǒng)包括“被動的”(不用泵和壓縮機(jī)的)熱管、回路熱管和回路熱虹吸，以及“主動的”泵驅(qū)動的兩相冷卻劑回路包括蒸發(fā)噴淋冷卻器(ref3)。其他人(ref4)認(rèn)為，既然不怕麻煩地采用了兩相系統(tǒng)，我們更應(yīng)當(dāng)開發(fā)汽化制冷系統(tǒng)的潛能并最終消除散熱通道上的終極極限：半導(dǎo)體節(jié)與環(huán)境間的溫差。

　　無論答案是單相回路(或許也包括風(fēng)冷吧)、熱管、兩相冷卻劑回路、或者制冷系統(tǒng)，改變現(xiàn)有模擬技術(shù)的需求是始終存在的：日益強(qiáng)調(diào)采用CFD方法模擬風(fēng)冷系統(tǒng)并不能滿足日益增長的工程設(shè)計(jì)需要。在我們正式開始介紹CFD軟件的替代品之前，先簡要描述一下基于結(jié)構(gòu)分析(導(dǎo)熱/熱容/輻射)的熱模擬技術(shù)的現(xiàn)狀。

　　3D熱模擬

　　有多種網(wǎng)絡(luò)類型的熱導(dǎo)/熱容模擬工具存在，包括Sauna、Network Analysis的SINDA/G、Thermal Associates的TAK等熱求解器，以及同屬于SINDA的C&R公司的SINDA/FLUINT。通常這些程序都被錯(cuò)誤地認(rèn)為是“有限差分”軟件，實(shí)際上它們是不依賴于幾何體的熱網(wǎng)絡(luò)(電路)求解器，不僅能被用來求解有限差分問題和1D集總參數(shù)問題，還能用于有限元問題(需做特殊的輸入設(shè)置)求解。它們通常都具有內(nèi)在的可執(zhí)行的用戶邏輯和(或)其它等式類型的輸入變量。漸漸地，熱網(wǎng)絡(luò)求解器也采用了圖形化用戶界面(通常是基于3D幾何體的)以便于輸入文件的產(chǎn)生，但大多數(shù)仍保留著電路圖類型的示意圖前后處理器，這種示意圖類型的用戶界面對于高等集總參數(shù)法模擬，如用當(dāng)量熱容、熱導(dǎo)和表面積等參數(shù)描述的電池組，以及其它需精簡模型集成的應(yīng)用很重要。

　　類似地，各類軟件工具在模擬殼體和實(shí)體的穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)導(dǎo)熱方面都沒有缺點(diǎn)，有限元方法(例如MSC/NASTRAN)應(yīng)用最多，偶爾使用有限差分法(例如EDS公司的TMG)，并且至少有一個(gè)軟件(Ref5)是采用了有限元和有限差分兩種混用-匹配形式，事實(shí)上，每個(gè)結(jié)構(gòu)有限元軟件都提供了可選的此類“傳熱模擬”模塊。大多數(shù)此類軟件也提供了由CAD模型生成熱模型的工具，盡管彼此間存在著靈活性的差異。

　　最后，結(jié)構(gòu)有限元模型能基于各式各樣的CAD軟件的模型生成。但是，不幸的是，這些結(jié)構(gòu)有限元模型很少能直接適合作為熱模型使用。幾乎沒有可專門提供給熱管理設(shè)計(jì)任務(wù)使用的曲面和實(shí)體(2D/3D)程序存在，有的也只是為滿足高層組裝件產(chǎn)品級熱設(shè)計(jì)需求，計(jì)入接觸熱導(dǎo)和有效輻射效果的軟件。幾乎沒有軟件能提供任何流體流動模擬能力，除了那些采用完整CFD理論的軟件(例如，F(xiàn)luent公司的IcePak，EDS公司的ESC)。

　　一些其它的2D/3D軟件提供了流體流動網(wǎng)絡(luò)。除了一個(gè)特例(Ref6)外，大多數(shù)這類軟件都需將流速和換熱系數(shù)等參數(shù)作為輸入給出，更差的是，2D/3D熱幾何體間的內(nèi)部聯(lián)系需要手動產(chǎn)生。部分軟件采用示意圖類型的GUI描述流體流動問題，與熱模型相關(guān)的曲面和實(shí)體或者不存在或者過于簡化。這些軟件開發(fā)的重點(diǎn)或者在于1D流體模擬，或者在于3D熱模擬，但是沒有一個(gè)軟件同時(shí)包括了這兩種功能。

　　總而言之，大多數(shù)的熱工程師能掌握并相對容易地創(chuàng)建2D/3D熱導(dǎo)熱模型，并且其中的一些能創(chuàng)建帶有接觸熱導(dǎo)和輻射的熱模型。但是很少能夠在不求助于全3D CFD軟件的前提下，將風(fēng)冷和管道冷卻劑流動模擬集成到這些模型中去的。

　　3D CFD軟件的應(yīng)用

　　與傳熱耦合的管道單相流體流動能用各種各樣的2D/3D CFD軟件模擬。這種模型在汽車行業(yè)的應(yīng)用，包括確定復(fù)雜空氣管道內(nèi)的分支和分叉流動、用于評估進(jìn)入車廂的平均流量、風(fēng)路出口處速度廓線。

　　但是，在自由來流(繞流)的近壁邊界層內(nèi)，需要相對較小的CFD單元和有限容積，計(jì)算資源的需求通常隨著分辨率的增加而以幾何規(guī)律增加。在絕熱的管道流動中，CFD單元在整個(gè)模型中都必須非常小，在有傳熱的管流中，大多數(shù)CFD軟件需要更精細(xì)的單元以避免近壁處計(jì)算耦合換熱量時(shí)出現(xiàn)大的誤差項(xiàng)。對于包括整個(gè)冷卻劑回路的真實(shí)復(fù)雜系統(tǒng)而言，這種求解的成本太高了，也使得瞬態(tài)分析幾乎不可能，進(jìn)行參數(shù)化分析和迭代穩(wěn)態(tài)計(jì)算更是不用提了。事實(shí)上，幾乎沒有CFD軟件能提供完整的參數(shù)化模型分析能力：模型和有限元的改變在兩次運(yùn)行間、更不必說在每次運(yùn)行過程中都是很難實(shí)現(xiàn)的。

　　有相變的兩相流動，例如發(fā)生在熱管(包括回路熱管)、熱虹吸、噴淋冷卻器和蒸汽壓縮循環(huán)中的相變過程，在當(dāng)前仍是實(shí)用商業(yè)化CFD軟件進(jìn)行系統(tǒng)級模擬的禁區(qū)，雖然它們在大學(xué)研究項(xiàng)目中有所應(yīng)用。

　　基于以上原因，一些CFD供應(yīng)商已經(jīng)開始提供1D流動模擬替代工具，也是意識到了以上的局限性可能在未來的很多年內(nèi)都將難以解決。

　　1D流動模型的應(yīng)用

　　一維流動模型可能仍被一些工程師歸為“計(jì)算流體動力學(xué)”，但是1D模型區(qū)別于CFD模型的重點(diǎn)在于它完全不考慮非軸向的單元。而且，在傳熱和壓降計(jì)算中采用的是更合理的經(jīng)驗(yàn)公式。也就是說，在1D管道流動中的邊界層的求解不是根據(jù)CFD方法中的“熱力學(xué)第一定律”，而是采用基于多次實(shí)驗(yàn)的有著很高計(jì)算效率的假設(shè)。由于徑向和周向尺度不需要離散化，甚至軸向尺度也通常不需要像在CFD方法一樣精細(xì)地劃分。所以，在管流系統(tǒng)中，1D流動模型的計(jì)算速度比3D模型計(jì)算速度快多個(gè)數(shù)量級。

　　在1D方法中，計(jì)入了軸向的動量守恒，軸向流動動量方程中的壁面摩擦采用了計(jì)入管道形狀、工質(zhì)類別、當(dāng)前流率等參數(shù)影響的實(shí)驗(yàn)公式。也就是說，唯一的“速度場”就是單一的軸向矢量(沿著流向的任意一點(diǎn))。

　　沿著流向計(jì)入了每一點(diǎn)處的能量和質(zhì)量(以及組分等)守恒。換熱系數(shù)能以準(zhǔn)2D形式沿著管道周向變化，同樣依據(jù)的是經(jīng)驗(yàn)公式。在徑向或沿著周向沒有劃分流體控制體，從而形成了簡單、能快速求解的網(wǎng)絡(luò)體系。

　　對于單相流動，能得到比CFD方法快得難以想象的計(jì)算速度，對于兩相流動，1D方法使得不可能變成了可能，因?yàn)檫@些領(lǐng)域在本質(zhì)上，3D CFD方法還不能求解，它們必須確定和追蹤每一相的變化，必須處理大梯度區(qū)域和兩相流動中不能逃避的熱力學(xué)與傳熱的強(qiáng)烈耦合問題。

　　基于“熱力學(xué)第一定律”的CFD軟件(即不使用雷諾數(shù)和努謝爾特?cái)?shù)經(jīng)驗(yàn)公式的)可能被一些工程師認(rèn)為是更準(zhǔn)確的。但是在管流模擬中這種觀念很難被捍衛(wèi)。當(dāng)然，在某些場合下1D經(jīng)驗(yàn)公式也只能勉強(qiáng)適用。這樣的例子之一就是兩相流，基于實(shí)驗(yàn)公式的1D流動模型計(jì)算得到的摩擦系數(shù)或傳熱系數(shù)有20%的偏差就被認(rèn)為是非常好了。幸運(yùn)的是，1D方法的快速求解特征使得我們能采用更高級辦法處理這些不確定性問題(Ref7、8)。

　　1D模擬的高速同樣使得瞬態(tài)分析、以及模型的快速變換功能(包括在一次求解進(jìn)程中的參數(shù)掃描)變?yōu)榭赡埽祟悈?shù)化模型變化功能是高級分析和設(shè)計(jì)行為的重要指針，如自動的尺寸大小優(yōu)化、組件優(yōu)選和布局調(diào)整等(Ref9)。

　　總而言之，“丟失”不必要方向的單元會在求解速度上取得巨大的收益，并且這種收益能應(yīng)用在高級工程任務(wù)分析，而不再是單一的“點(diǎn)設(shè)計(jì)模擬”(例如，預(yù)計(jì)某一設(shè)計(jì)方案對某一特定場合的反應(yīng))。1D流動軟件對類如電子設(shè)備冷卻中的管流問題的模擬明顯地優(yōu)于2D/3D CFD軟件。

　　但是，用于熱模擬的1D流動網(wǎng)絡(luò)模擬辦法存在著一個(gè)問題：與3D傳熱模型不能集成。

　　在3D傳熱模型內(nèi)模擬1D流動

　　Ref6 介紹了在3D(例如有限差分和/或有限元模型)熱模型內(nèi)建立1D流動模型的辦法。選擇1D流動辦法模擬風(fēng)冷電子設(shè)備需要做簡化假設(shè)，但此類簡化并不一直適用于模擬空氣流動，它們適合于模擬管道流或冷卻劑流動，就像上面討論的。

　　但是，在參考文獻(xiàn)中詳細(xì)介紹的方法需要做重要增強(qiáng)才能用于管道流動系統(tǒng)，如冷卻劑回路、熱管和制冷系統(tǒng)，尤其是：

　　提供能利用CAD工具自由創(chuàng)建直線和弧線的功能，然后使得這些1D線單元被識別為管道(用于冷卻劑回路、回路熱管、回路熱虹吸、蒸汽壓縮循環(huán)等)或恒熱導(dǎo)值、變熱導(dǎo)值熱管。

　　這些流體管線，無論是管道還是熱管，如果可用且不違背1D假設(shè)(1D熱導(dǎo)/熱容網(wǎng)絡(luò)單元)，還應(yīng)包括管道壁或容器。

　　流體管線還需能附著在實(shí)體和曲面上，并能恰當(dāng)?shù)啬M翅片、支架、固定物、接觸熱阻等。

　　流體管線還需有可變的軸向分辨率，并能根據(jù)需要細(xì)分以形成T型頭、多通等。

　　流體管線的軸向分辨率(數(shù)目和方法)應(yīng)當(dāng)獨(dú)立于流體管線所附著的曲面和實(shí)體的空間分辨率(同樣包括數(shù)目和方法)而隨意指定，

　　這些改進(jìn)已經(jīng)被成功地完成，形成了獨(dú)一無二的用于有風(fēng)冷或冷卻劑冷卻的電子設(shè)備冷卻模擬的方法。

　　這里將給出兩個(gè)應(yīng)用摘要以演示這些功能。首先，常值(恒值)熱導(dǎo)熱管(CCHPs、FCHPs)的模擬功能將被展示并給出在某一特定工況下的應(yīng)用情況。其次，回路熱管(LHP)將替換這個(gè)熱管以演示LHP熱管模擬技術(shù)和更常見的單相或兩相冷卻劑回路的模擬。

　　系統(tǒng)級“精簡”熱管模擬

　　由于兩個(gè)錯(cuò)誤概念使得熱管的模擬被認(rèn)為是太難了。首先由于設(shè)備是“兩相”的，所以完整的兩相熱力學(xué)模擬是必須的。雖然完整的流體力學(xué)解決方案能應(yīng)用在LHPs(見下面)，但采用它們做熱管系統(tǒng)級模擬有些“大材小用”了。即使在熱管自身的設(shè)計(jì)過程中(對比于它們在其它系統(tǒng)熱設(shè)計(jì)中的應(yīng)用)，許多廠商也只是采用簡化的方法。

　　第二個(gè)誤解是熱管能用人為指定的高熱導(dǎo)率的實(shí)體棒或桿代表，這不僅破壞數(shù)值算法的完整性(尤其在瞬態(tài)分析中)，而且兩者之間并不等價(jià)。不像一個(gè)高熱導(dǎo)率的柱條，熱管的熱導(dǎo)或阻值與傳輸長度無關(guān)，只要它的內(nèi)部極限(如沸騰極限、毛細(xì)力極限、攜帶極限、粘度極限、聲波極限)沒被超出，另外，某些類型的熱管在蒸發(fā)和冷凝端的對流換熱系數(shù)能有高達(dá)4倍的差異，在實(shí)際的復(fù)雜幾何系統(tǒng)中，分析者不應(yīng)當(dāng)事先假定熱管的哪一部分將吸收熱量和哪一端將排出熱量：在求解過程中產(chǎn)生的溫度分布才是作出這些決定的控制者。

　　同樣重要的是能以與銷售商提供的等級分類表格式相容的形式，給出熱管的傳熱功率結(jié)果：在長度方向上的熱功率積分值(Q*Leff)。在給定的安全系數(shù)下，這也就是通常為確保熱管沒有超出運(yùn)行極限而必須做的工作。在設(shè)計(jì)平行排列的熱管組(或者冗余設(shè)計(jì))以確保每一個(gè)熱管都能在合適載荷下工作時(shí)，功率-長度乘積同樣很重要。

　　幸運(yùn)的是，一個(gè)相對簡單的基于網(wǎng)絡(luò)化理論的熱管模擬辦法已經(jīng)可用，并在航空航天行業(yè)使用了多年，美國航天應(yīng)用熱管的經(jīng)驗(yàn)已經(jīng)有近30年的歷史。為講解這個(gè)辦法，首先考慮一個(gè)簡單的一維有限差分壁面模型，只考慮軸向梯度，如圖1所示。

　　圖1: 熱管的系統(tǒng)級網(wǎng)絡(luò)模型

　　這個(gè)辦法的關(guān)鍵在于加入一個(gè)代表蒸汽飽和溫度(Tvap)的無質(zhì)量的節(jié)點(diǎn)。所有的壁面節(jié)點(diǎn)都與這個(gè)節(jié)點(diǎn)連接，其間的熱導(dǎo)(以i代表第i個(gè)壁面節(jié)點(diǎn)，溫度為Ti，內(nèi)表面面積為Ai，容積為Vi)：

　　Gi = He*Ai　　　　　(Ti > Tvap)

　　或 Gi = Hc*Ai　　　　(Ti < Tvap)

　　其中He是蒸發(fā)端的換熱系數(shù)，Hc是冷凝端的換熱系數(shù)。這些值通常由熱管供應(yīng)商提供。

　　這個(gè)方法能被容易地?cái)U(kuò)展到兩維熱管壁、甚至是任意形狀的蒸發(fā)室翅片上。例如圖2給出的是采用了嵌入式熱管(Ref 10)的Intel Xeon CPU芯片冷卻器。在這個(gè)案例中，熱管直徑的尺寸與側(cè)壁翅片的對比代表了用一個(gè)完整的1D方法模擬熱管的問題。因此，采用了允許熱管環(huán)向溫度梯度存在的2D柱體殼而不是1D模型模擬熱管。同樣地，在這段給出的算法依然適用。

　　圖2: 芯片到翅片熱管(貼在有限差分平板上的2D柱體殼)

　　可變熱導(dǎo)率熱管(VCHPs)使用了非凝結(jié)氣體(NCG)存儲器控制熱管熱導(dǎo)(從而控制功率輸出)以減小或消除在冷環(huán)境條件下熱管替換的需求。在電子冷卻裝置中最常見的古老的常熱導(dǎo)值熱管(CCHPs)中氣體的產(chǎn)生，是基于同樣原理的傳熱效能下降的另一個(gè)例子：氣體形成了障礙，使得工質(zhì)蒸汽必須通過擴(kuò)散才能流動到冷壁，因此也阻止了冷凝作用。

　　非冷凝氣體的阻礙作用也能以網(wǎng)絡(luò)類型的方法模擬，但是不能以導(dǎo)熱柱的辦法模擬。常用的假設(shè)是氣體在管道的寬度方向形成了平面峰面，并且冷凝器的任何部分被氣體覆蓋后，與段塞成比例的區(qū)域?qū)⒉辉倨鹱饔谩?/P>

　　對于已知數(shù)量的氣體(對于一個(gè)品質(zhì)下降的熱管，通常以gm-mole或lb-mole的形式指定，因?yàn)榉抢淠龤怏w的組分是未知的)，阻塞部分的長度是利用與蒸汽節(jié)點(diǎn)溫度對應(yīng)的當(dāng)前飽和氣壓 Psat(Tvap)，這個(gè)壓力用于計(jì)算非冷凝氣體的當(dāng)前質(zhì)量：

　　，i代表所有軸向單元，

　　其中，

　　這是一個(gè)迭代算法——阻塞的當(dāng)前尺寸影響蒸汽與壁面間的熱導(dǎo)G，熱導(dǎo)又影響飽和蒸汽溫度Tvap，飽和蒸汽溫度又用來確定管壓并最終影響氣體阻塞的尺寸。算法的復(fù)雜性在于氣體具有非一致的溫度場，使得在以上的公式中都必須計(jì)入每一個(gè)阻塞或部分阻塞區(qū)的當(dāng)?shù)毓べ|(zhì)的分壓。也就是說，在每一個(gè)阻塞區(qū)，流體溫度越高、存在的氣體越少。這導(dǎo)致在管道可能的冷區(qū)(氣體阻塞區(qū))需要較高的分辨率(有限元、離散化)。

　　盡管存在明顯的復(fù)雜性，但這種算法并不難編寫，并且已經(jīng)在可變熱導(dǎo)熱管和存在氣體阻塞的常值熱導(dǎo)熱管的模擬中應(yīng)用了多年。真正的困難在于估計(jì)常值熱管使用過程中非凝結(jié)氣體產(chǎn)生的數(shù)量，這個(gè)值與熱管材料、制作工藝(尤其是清洗工藝)、甚至是安裝技術(shù)(彎曲、焊接等)都有關(guān)系。應(yīng)用工程師被建議索要產(chǎn)品銷售數(shù)據(jù)、在產(chǎn)品給定的出廠日期上施加合適的保守裕量以確保計(jì)入可能的大的不確定性。

　　下一部分提供了有關(guān)模擬方法和非凝結(jié)氣體影響的專門演示，采用1D有限差分單元代表熱管。

　　熱管應(yīng)用案例

　　為演示上述熱管模擬技術(shù)和雜交的1D流體-3D熱模型模擬功能，考慮了一個(gè)帶有5個(gè)散熱單元(每個(gè)熱耗5W)的8cm x 12cm PCB板的冷卻過程，唯一的散熱方式是借助于機(jī)箱內(nèi)自然對流換熱。一個(gè)8cm x 15cm x 1.27 mm厚的鋁安裝板能用來增加可用的對流換熱面積，但是與PCB板的距離有8cm。

　　為了在不用風(fēng)扇的條件下解決問題，采用了一個(gè)1cm直徑的銅-水熱管，置于PCB板和安裝板間。熱管貫穿在發(fā)熱芯片的下面，帶有2個(gè)90度的彎頭以增大與板間的接觸尺寸，管的總長超過了36cm。

　　圖3顯示了氣塞影響的參數(shù)化研究，從初期的沒有阻塞到使用末期大約8.5e-9 kg-mole的非凝結(jié)氣體。雖然從組件溫度變化中能看出氣塞逐漸生成造成的影響，但通過下部鋁安裝板能更清楚的看到這一過程。注意熱管自身幾乎看不見，這里能辨清的原因是熱管處于選中的高亮狀態(tài)，這也許是1D簡化模擬的一個(gè)不方便的地方：由于采用了簡化使得模型缺少了部分物理真實(shí)感。

　　圖3: 熱管品質(zhì)下降參數(shù)化研究

　　從沒有非凝結(jié)氣體(左)到8.5e-9 kg-mole非凝結(jié)氣體(右)

　　圖4給出了隨非凝結(jié)氣體量的增加，阻塞尺寸和組件溫度變化規(guī)律。

　　圖4 非凝結(jié)氣體造成的熱管品質(zhì)下降效果

　　系統(tǒng)級回路熱管模擬

　　雖然電子封裝行業(yè)對回路熱管的興趣越來越大，但這里選擇回路熱管(LHPs)只是用來討論1D流體模擬技術(shù)。單相和其它類型的兩相回路(包括蒸汽壓縮循環(huán))同樣也能作為技術(shù)介紹的案例。

　　盡管在名字上的相似性，回路熱管實(shí)際上與傳統(tǒng)的熱管還是有著很大的差異，這些差異也包括了模擬技術(shù)上的迥然不同。如同上面所說的，完整的流體力學(xué)解決方案并非模擬傳統(tǒng)熱管所必須，但是一個(gè)更完整的熱力學(xué)求解方案是模擬回路熱管所必須的，即使在穩(wěn)態(tài)條件下。

　　回路熱管與傳統(tǒng)熱管的工作機(jī)理相同，但是蒸汽和液體分別流入簡單的、小直徑管道使得回路熱管的運(yùn)行和應(yīng)用與傳統(tǒng)熱管有著非常顯著的區(qū)別。將驅(qū)動力項(xiàng)隔離到一個(gè)集中的區(qū)域(蒸發(fā)器)意味著不僅能采用多變化、可調(diào)整的管線，而且能夠使用小孔毛細(xì)材料，有效地消除了許多由于重力和朝向原因造成的熱管不能使用的問題，與熱虹吸設(shè)備不同，回路熱管并不要求熱源必須位于冷源的上面。

　　采用簡單的熱阻/熱容網(wǎng)絡(luò)模擬回路熱管并不妥當(dāng)，主要是由于回路熱管中存在的兩相流動和冷凝過程的準(zhǔn)確模擬是模型成功的關(guān)鍵。在回路熱管中，不僅準(zhǔn)確模擬冷凝器很重要(具體講，過冷量)，而且計(jì)入看起來很小的沿著液體管線和補(bǔ)償箱(與蒸發(fā)器在一起的大容積箱)的熱收入和支出也非常關(guān)鍵，尤其在低功率下。回路熱管存在著類似“三極管”的放大效應(yīng)：在液體管線或補(bǔ)償箱上的1W加熱功率能造成整個(gè)回路熱阻(對于小的LHP量級通常在0.01到0.05K/W間)的減半或加倍。在過冷度計(jì)算中，1W的偏差也有類似的結(jié)果(，其中m為回路質(zhì)量流率)。

　　基于同樣的原因，追蹤回路的壓降也非常重要。可能并非固有屬性，整個(gè)回路的熱阻由于系統(tǒng)對液體側(cè)冷熱變化的敏感性，在重力場內(nèi)變得依賴于管路的朝向。

　　這個(gè)敏感性產(chǎn)生的原因是在毛細(xì)材料的兩端存在不同的飽和條件，毛細(xì)材料一般是金屬類的(也是導(dǎo)熱性的)。毛細(xì)材料兩端壓差的增加將同樣造成兩端溫差的增加，原理依據(jù)Clausius-Clapeyron方程:

　　引起一些熱量回流到核心區(qū)，而未被蒸發(fā)：

　　任何此類“回流”以及管線的任何漏熱必須通過提高過冷量加以平衡，提高過冷量意味著在冷凝器區(qū)減少可供利用的蒸發(fā)區(qū)[1] (兩相)，這也相應(yīng)地提高了整個(gè)回路的熱阻。

　　Ref11提供了回路熱管運(yùn)行原理的很好總結(jié)，Ref12 提供了回路熱管模擬技術(shù)的很好總結(jié)，所以這些相關(guān)問題就不在這里重復(fù)。

　　幸運(yùn)的是，盡管回路熱管的運(yùn)行很復(fù)雜，但只要工程師能做到以下幾點(diǎn)，它們的模擬也不是那么困難。

　　有回路熱管廠商提供的相關(guān)性能指標(biāo)(包括諸如總潤濕毛細(xì)熱阻等重要資料)

　　能利用足夠詳細(xì)的兩相熱力學(xué)程序，其中包括基本的毛細(xì)模擬模塊。

　　已創(chuàng)建冷凝器、回流管線和補(bǔ)償箱的詳細(xì)的熱/流體模型。

　　本片文章的焦點(diǎn)在于最后一條：布置冷凝器和管線，將管線熱/流體模型與結(jié)構(gòu)熱模型耦合。這也是后續(xù)例子的主要目的，在新例子中將采用前面一個(gè)例子的構(gòu)型設(shè)計(jì)。

　　幸運(yùn)的是，回路熱管性能并不明顯受到非凝結(jié)氣體產(chǎn)生的影響(除了啟動時(shí)，見Ref13)。啟動(短時(shí)間效應(yīng))瞬態(tài)是非常復(fù)雜的(Ref 14)，一般的熱瞬態(tài)過程都能被比較容易的模擬，只要兩相分析軟件允許準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)兩相水力學(xué)與瞬態(tài)熱結(jié)構(gòu)響應(yīng)耦合。

　　回路熱管應(yīng)用案例

　　仍然采用前面使用的模型，只是將熱管替換為回路熱管，以演示典型的回路熱管模擬應(yīng)用和介紹在3D FDM/FEM熱模型內(nèi)建立1D流體模型的方法。

　　回路熱管不能完全代替?zhèn)鹘y(tǒng)的熱管，除非PCB板的導(dǎo)熱率有了極大的提高。也就是說，仍需要熱管從分散的元件收集熱量并將熱量傳遞給回路熱管的蒸發(fā)器。回路熱管不適合等溫化組件，也不適合在大的電路引腳上收集熱量。

　　但是，回路熱管的散熱引腳有很高的散熱能力，而不必如傳統(tǒng)熱管那樣要求引腳必須在同一平面。也就是說，回路熱管能更好地利用鋁壁的可用面積，這在一定程度上彌補(bǔ)了由于聯(lián)合利用熱管和回路熱管而多出的接觸熱阻項(xiàng)。

　　在這個(gè)案例中，采用了單一的回型管冷凝器以易于管路的密封。多通、平行管路也能作為替代品使用，但是要求兩相熱工水力分析軟件必須能模擬有很小壓降的平行管路內(nèi)分布情況，也必須能追蹤液-汽界面，因?yàn)橛泻軓?qiáng)的重力效應(yīng)存在于這樣分布中。

　　氨被選作工質(zhì)，除了由于設(shè)計(jì)上的成熟外，還因?yàn)樗谶@些溫度下具有的低蒸汽壓(25°C時(shí)～3000Pa絕對壓力)使得它不太適合用于回路熱管。由于選用了氨，所以銅不再用作管壁材料，而選用了鋁和不銹鋼。毛細(xì)材料為燒結(jié)鎳。傳輸管線和回型管冷凝器采用的是一整根ASTM B307 4mm (名義值)鋁管(1.9mm內(nèi)徑, 3.2mm外徑)。

　　圖5給出了系統(tǒng)性能的描述，作為對比，同時(shí)給出了上例中沒有氣體時(shí)傳統(tǒng)熱管系統(tǒng)的最終結(jié)果。位于PCB板右下方的蒸發(fā)器和補(bǔ)償箱以2D殼單元可視形式給出。蒸發(fā)器(而不是補(bǔ)償箱)與PCB板的等溫?zé)峁苓B接，等溫?zé)峁苋栽赑CB板內(nèi)存在(雖然在圖中為了避免雜亂而未顯示)，這個(gè)熱管不再作為傳輸裝置，所以也不再延長至整個(gè)電路板。

　　回路熱管的飽和溫度大致在26°C左右，這個(gè)值比傳統(tǒng)熱管的30°C設(shè)計(jì)值低了幾度，但是在兩個(gè)案例中芯片的溫度幾乎是一致的，原因是傳輸?shù)戒X板上的熱量是一樣的: 11W多一點(diǎn)。如同期望的那樣，在傳統(tǒng)熱管和回路熱管蒸發(fā)器間多出的接觸熱阻被鋁板熱沉的更好利用得到了有效補(bǔ)償。也就是說，回型熱管從根本上消除了鋁板的溫度梯度(圖5)。這種構(gòu)型對傳統(tǒng)的熱管而言是不可能實(shí)現(xiàn)的，由于不在同一平面上引起的有限的靜壓差。

　　圖5: 帶有回型冷凝器的回路熱管替代系統(tǒng)

　　(傳統(tǒng)熱管方案位于左圖)

　　以上兩個(gè)例子不要被誤解為是傳統(tǒng)熱管與回路熱管間的比較，因?yàn)閮蓚€(gè)案例都不是在特定要求下的優(yōu)化案例。例子給出的目的是介紹在3D熱幾何模型內(nèi)建立各種1D物體的功能以及演示兩種專門模擬技術(shù)。

　　同樣的，給出了一些有關(guān)傳統(tǒng)熱管與回路熱管間的優(yōu)劣區(qū)別，以便進(jìn)行簡要的討論。傳統(tǒng)熱管是一種比回路熱管簡單、便宜的設(shè)備，在其它所有條件都一致時(shí)，自然應(yīng)當(dāng)被首先選用。但是選用傳統(tǒng)熱管時(shí)必須考慮其在散熱引腳上的限制和在重力影響下的布置方向問題。回路熱管，相反地，能在任意復(fù)雜、小流動面積管道或管網(wǎng)上用作冷凝器，也能使用細(xì)小、多變化的傳輸管線。回路熱管幾乎不受重力或朝向限制，但是在啟動時(shí)也會有些問題(Ref 13, 14), 并且補(bǔ)償箱也會由于不得不靠近蒸發(fā)器而受到過多的加熱，從而出現(xiàn)不能應(yīng)付的封裝問題，回路熱管在吸熱引腳上也有局限，因?yàn)榇蟮恼舭l(fā)器尺寸和不合理的蒸發(fā)器形狀意味著回路熱管性能的下降，產(chǎn)生的原因主要還是上面討論的熱量回流問題，這也會影響到熱管啟動的穩(wěn)定性。

　　結(jié)論

　　電子設(shè)備的風(fēng)冷正在接近它的極限。替代產(chǎn)品包括熱管、蒸發(fā)室翅片、回路熱管、回路熱虹吸、泵推進(jìn)的單相冷卻劑回路、噴淋冷卻和蒸汽壓縮循環(huán)制冷回路。所有的這些替代技術(shù)都很難用2D/3D CFD軟件模擬：1D流動模擬技術(shù)更合適應(yīng)用于這些領(lǐng)域。但是，1D流動模擬技術(shù)以前并不與廣泛應(yīng)用的2D/3D熱(導(dǎo)熱/輻射/熱容)模擬軟件兼容。