引言电子设备正常运行过程中产生多余热量，如何将这些热量直接释放以及维持设备的正常温度等问题亟须解决。电子元件内部温度控制可以从必要与非必要两个方面进行阐述，电子设备需维持自身正常运行温度；电子设备内部包含众多的发热芯片，其发热功率不同，使设备表面的热应力分布不均匀。由于热量在元件内部大量集聚且不能快速排出，将对电子设备内部带来不必要的损失，出现设备不正常工作现象[1]。元件在持续高温状态下工作，将聚集的热量集中于元件芯片局部，将导致电子设备的寿命不断缩减直至不能满足正常工作需求[2]。目前相变均温技术的优良性能在电子设备散热等领域取得重大研究进展，主要从试验和理论两个方面对相变均温技术进行研究[3]。均温板作为一种二维平面上散热的热管装置，被广泛应用于电子设备的散热[4]。吸液芯结构对均温板至关重要，当均温板处于工作状态时，内部真空腔体内蒸发端的液相工质受热，有沸腾现象产生，此时液体发生形态上的变化呈现出汽相状态。汽相状态的工质在腔体内由蒸发端与冷凝端之间存在的压力差推动下，流入冷凝端，在冷凝端汽相状态的工质受冷再一次发生形态变化，由汽相状态变回液相形成液滴，此时凝结的液滴在吸液芯结构毛细力的作用下，迅速聚集在蒸发端，由此往复进行工作。吸液芯结构的存在可以有效防止蒸发端在高温情况下由于没有工质而发生烧干现象，均温板的传热性能在很大程度上取决于吸液芯的结构。Chen[5]等采用CFD软件对均温板的传热性能进行模拟，模拟结果显示与试验结果基本一致。Carbajal[6]等分析均温板在均匀热源条件下的瞬态性能。Hung[7]等采用ANSYS软件对均温板正常工况下对蒸汽腔的受力、变形情况进行数值模拟研究。研究发现，均温板在内部安装支撑柱后，蒸汽腔的应变力降为原来的81%~91%。本研究根据Hsieh[8]等提出的一种均温板的三维分析方法，预测均温板的三维温度以及热流分布。利用商业软件ANSYS等相关软件，采用Yasushi[9]等提出的均温板控制方程的基础上，对均温板进行数值模拟研究。将纯铜板和相同尺寸内部结构为铜柱作为支撑结构且50%铜柱套有烧结铜粉片作为吸液芯的均温板进行比对，得出均温板和相同尺寸下的纯铜板在达到稳态条件下的热性能。对均温板的传热性能进行预测，不仅可以优化均温板的结构，同时还能节省成本。1均温板结构均温板内部的烧结铜粉柱体分布如图1所示。均温板内部由铜柱作为支撑柱并且均匀分布在均温板内，蒸发端与冷凝端各布置烧结铜粉，50%的铜柱套有烧结铜粉片作为吸液芯结构。这种设计结构特有的优势：铜柱均匀分布，可以为均温板提供多样性的工作环境，确保均温板即使有外力施加的情况下仍不产生形变；铜柱作为金属且均匀分布，可对均温板的均温性提供进一步的保障；布置在均温板腔体内冷凝面与蒸发面的烧结铜粉层结构，能够更好更快地将冷凝端的汽相工质凝结成液滴；由于吸液芯与上下烧结铜粉层直接相连，冷凝后产生的液滴可直接通过铜柱上套有的吸液芯回流到蒸发端。10.3969/j.issn.1004-7948.2022.03.011.F001图1均温板内部分布2均温板工作原理及热阻分析均温板在工作时液体工质吸收废热发生相变，同时均温板内部的支撑铜柱除起到支撑作用外也有一定的导热能力，在支撑铜柱和工作介质相变的共同作用下，均温板的工作效率大幅提升，并实现整个装置内部高效传热。由于相变过程具有很高的等温性，且铜柱均匀分布，所以均温板可以达到均温效果。均温板的热阻分为10个区域。均温板热阻网络图如图2所示。其中R1是均温板蒸发值，均温板蒸发端与冷凝端的铜材质外壳的热阻；R7为均温板中部腔体中的烧热铜粉及铜柱导热热阻；R2、R6为均温板腔体中部烧结铜粉到蒸汽区导热热阻；R3、R5为均温板内汽相和液相交界面处热阻；R4为均温板在受热时内部产生的蒸汽传递热阻；R8为蒸汽腔体内液相工质沸腾蒸发产生的汽相状态工质向四处扩散的x轴方向传递热阻；R9为烧结铜粉片在x轴方向导热热阻；R10为铜质外壳横向导热热阻。10.3969/j.issn.1004-7948.2022.03.011.F002图2均温板热阻网络图由于R3、R5为均温板内气相和液相交界面处的热阻，其阻值非常小，可忽略不计。而R10铜质外壳非常薄仅0.8 mm，在导热方面可认为是单向传导，不用考虑x轴方向的导热热阻，因此均温板的热阻主要由均温板蒸发端与冷凝端的铜材质外壳热阻和均温板中腔体内的烧结铜粉及铜柱导热热阻构成。3数学描述与数值模拟本研究利用流体计算软件Fluent对均温板进行计算，得出稳态条件下均温板的热性能。3.1控制方程的假设（1）传热过程为稳态；（2）毛细芯与蒸汽区工质流动流态为层流；（3）蒸汽为饱和状态；（4）不考虑重力因素的影响；（5）气液两相的流动为不可压缩流动；（6）均温板内工作液体能保证循环，不发生烧干。均温板的计算域分为3个部分：蒸汽区、充满工作液体的多孔介质区域、金属壁面区。综上所述，各计算域的控制方程如下：固体外壳及毛细芯/液体的能量守恒方程：∂2T∂x2+∂2T∂y2+∂2T∂z2=0 (1)蒸汽区的连续性方程和动量守恒方程：∂uv∂x+∂vv∂y+∂wv∂z=0 (2)ρvuv∂uv∂x+vv∂uv∂y+wv∂uv∂z=-∂ρv∂x+μv∂2uv∂x2+∂2uv∂y2+∂2uv∂z2 (3)ρvuv∂vv∂x+vv∂vv∂y+wv∂vv∂z=-∂ρv∂y+μv∂2vv∂x2+∂2vv∂y2+∂2vv∂z2 (4)ρvuv∂wv∂x+vv∂wv∂y+wv∂wv∂z=-∂ρv∂z+μv∂2wv∂x2+∂2wv∂y2+∂2wv∂z2 (5)毛细芯/液体区的连续性方程和动量守恒方程：∂ul∂x+∂vl∂y+∂wl∂z=0 (6)ρlul∂ul∂x+vl∂ul∂y+wl∂ul∂z=-∂ρl∂x+μl∂2ul∂x2+∂2ul∂y2+∂2ul∂z2- εμlKul (7)ρlul∂vl∂x+vl∂vl∂y+wl∂vl∂z=-∂ρl∂y+μl∂2vl∂x2+∂2vl∂y2+∂2vl∂z2- εμlKvl (8)ρlul∂wl∂x+vl∂wl∂y+wl∂wl∂z=-∂ρl∂z+μl∂2wl∂x2+∂2wl∂y2+∂2wl∂z2- εμlKwl (9)3.2边界条件的确定底部蒸发面为热输入边界条件：-Ks∂Ts∂n=q (10)式中：q——蒸发面的热流密度，W/m2；Ks——壁面材料的导热系数，W/(m·K)。顶部冷凝面为对流换热边界条件：-Ks∂Ts∂n=h∞Ts- T∞ (11)式中：Ts——冷却水温度，K；h∞——冷却面的对流换热系数，W/(m2·K)。根据热阻的定义可知，冷凝面的传热热阻为：R=∆TQ=Ts- T∞qAc (12)h∞=1RAcond (13)式中：Acond——冷凝面的面积，m2；R——冷凝面的传热热阻值，K/W。不考虑其余外部壁面与环境的热传递，冷凝面均视为绝热壁面边界：-Ks∂Ts∂n=0 (14)毛细芯/液体区与固体壁面交界面为耦合换热面和不可滑移壁面边界条件：Ks∂Ts∂n=Keff∂Twi∂nU⃗=0 (15)毛细芯/液体区与蒸汽区交界面满足质量守恒条件和能量守恒边界条件：ρlun,l=ρvun,v (16)ρlvn,l=ρvvn,v (17)ρlwn,l=ρvwn,v (18)T=Tv=Tsat (19)3.3均温板数值模拟通过对均温板进行数值模拟计算，并对其进行试验对照，对比结果进行理论分析。热源的热流密度变化范围为1.6~21 W/m2（开始的加热功率通过直流电源调整为15 W，每当测量温度达到稳定状态时再次调整直流电源，在原电压的基础上调高10 V，最大加热功率为189 W），散热元件的冷凝端采用水冷的方式进行冷却。本研究采用Hsieh[8]提出的Rvc计算公式，对散热元件的热阻进行计算：Rvc=Th- TcoolQ (20)式中：Th——均温板蒸发面中心点处温度，℃；Tcool——冷却水温度，℃；Q——加热功率，W。均温板与尺寸完全相同的纯铜平板进行数值计算后，热阻随加热功率的变化曲线如图3所示。均温板可能由于误差因素，内部工质在初始阶段便产生沸腾状态，趋近于0.3 ℃/W；而铜板的热阻约为0.5 ℃/W。数值模拟计算得到的均温板以及铜板热源中心点处，随加热功率变化得到的温度曲线如图4所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2022.03.011.F003图3热阻功率变化10.3969/j.issn.1004-7948.2022.03.011.F004图4热源中心点温度变化随着加热功率不断增加，均温板热源中心点处的温度和纯铜板热源中心点处的温度不断增加，均呈线性增长。但是均温板加热侧中心点的温度始终低于铜板，而且随着加热功率的不断加大，其中心温度差也在不断加大。这种现象主要是由于均温板作为一款相变均温型散热元件，导热方式通过内部蒸汽腔中工质蒸发、冷凝形成循环传递热量，好处是热阻值偏小而且体积与铜板完全相同；而铜板同样作为散热元件，但其导热方式主要还是依赖金属特性进行热量传递，热阻大是相对均温板散热效果不佳的主要原因。由此得出均温板比铜板的导热性能更加优良，并且随着热流密度的增加均温板的散热效果就越明显。4结果讨论均温板与尺寸完全相同的纯铜平板，在加热功率为180 W时，上下蒸发段与冷凝端的温度分布情况，如图5所示。均温板热源中心处的温度相较于铜板的温度偏低，同时蒸发面热源处的高温影响区加大。图5加热功率为180 W时元件温度分布10.3969/j.issn.1004-7948.2022.03.011.F5a110.3969/j.issn.1004-7948.2022.03.011.F5a210.3969/j.issn.1004-7948.2022.03.011.F5a310.3969/j.issn.1004-7948.2022.03.011.F5a4产生这种情况的原因是均温板内部工质从冷凝端流到蒸发端速度加快，使蒸发面的温度得到更好的延展。纯铜板加热侧中心温度偏高，说明依靠金属属性传导热量的方式没有均温板效果好，在热流密度高的场景下，利用均温板能将元件表面聚集的热量均匀地铺展到更大的散热面上，因而具有非常好的散热效果。5结语利用数值模拟软件模拟均温板和与其尺寸完全相同的纯铜平板散热元件，在不同加热功率下的散热效果以及散热性能，结果表明：（1）均温板在散热性能方面优于尺寸完全相同的纯铜平板，因为均温板内部特殊结构能够加速在冷凝端遇冷凝结工作介质的回流路径，并缩短回流时间。（2）均温板在运行达到稳态时，温度梯度较小。相同体积下，散热效果远比铜板散热效果优良，且热流密度越高散热效果越明显。因此均温板作为一款特殊形式的热管，优良的均温性能可以在微小型高热流密度的散热元件中发挥更大的作用。（3）数值模拟计算可以对均温板的传热性能进行预测，对均温板结构上的优化具有参考价值，同时节省成本。