與平板式熱管結合之散熱模組的CFD模擬 CFD Simulations of a Heat Sink Integrated with a Vapor Chamber 陳彥旭1, 簡國祥2, 洪祖全3, 白寶實4 1核能研究所 核工組 2工業技術研究院 能環所 3義守大學 機械與自動化工程學系 4清華大學 工程與系統科學系 摘要 對一般的電子散熱產業而言，目前的熱管分析模式過於複雜。 建立一個實用的分析模式。 假設平板式熱管中的汽體為毛細結構之間的單一熱傳介面。 該模式具備分析軸向熱傳導與顯示局部溫度分佈的能力，且能併於整體散熱模組分析中。 將該模式應用到整體散熱模組的模擬。 計算結果顯示，平板式熱管的熱阻主要由受熱側管壁所貢獻，模擬的最高溫升與實驗之間的最大差異為6.3 %。 簡介 熱管具備被動性能與高熱傳導能力等優點。 平板式熱管能增加熱傳面積，也易於和鰭片整合為散熱模組。 本研究的目的是建立平板式熱管的簡化分析模式，並將其併入數值流體力學(CFD)方法中，以應用在整體散熱模組的分析中。 與氣冷式實驗結果比對。 平板式熱管之數值模式 假設工作流體能順利使用相變化傳熱，汽態流體的溫度為定值，可忽略工作流體的熱阻。 汽體溫度被視為毛細結構之間的界面溫度，可用每一個位於毛細結構的控制體積單元的溫度線性內插： 結論 本研究藉由將內部氣體視為共同熱傳界面的假設，建立了平板式熱管的簡化分析模式。 該模式省略了內部雙相流的詳細探討，因此能有效增加計算速度，並使該模式具備併入整體散熱模組分析的優點。 結果顯示，計算出的最高溫升，其趨勢與數量級都與實驗結果吻合。 平板式熱管的熱阻中，會有相當大的部分是由底部管壁所貢獻。 日後設計平板式熱管時，若要在小面積熱源的狀況下操作，建議將管壁加厚，以減少擴散熱阻的作用。 模擬案例 加熱功率: 30-60 W. 熱源面積: 40×40, 20×20, and 10×10 mm2. 平板式熱管之尺寸: 86x71x5 mm3. 平板式熱管之壁厚: 1mm 平板式熱管之毛細結構由銅粉燒結而成，厚0.8 mm ，孔隙度為0.36 。 結果 結果顯示，計算出的最高溫升，其趨勢與數量級都與實驗結果吻合，模擬與實驗之間的最大差異為6.3 %。 就熱阻分析的角度來看，平板式熱管可粗略分為四部分：底部管壁、底部毛細結構、頂部毛細結構及頂部管壁。 參考文獻 Yen-Shu Chen, Kuo-Hsiang Chien, Chi-Chuan Wang, Tzu-Chen Hung, and Bau-Shei Pei, “A simplified transient three-dimensional model for estimating the thermal performance of the vapor chambers,” Applied Thermal Engineering, Vol. 26, pp. 2087–2094, 2006. Yen-Shu Chen, Kuo-Hsiang Chien, Chi-Chuan Wang, Tzu-Chen Hung, and Bau-Shei Pei, “Effect of Heat Spreading on the Performance of Heat Sink via Vapor Chamber”, Proceedings of the 13th International Heat Transfer Conference, Sydney Australia, 13-18 August 2006. 陳彥旭、洪祖全、簡國祥、白寶實，“與平板式熱管整合之散熱模組的數值模擬”，中華民國力學學會第三十一屆全國力學會議，高雄縣，中華民國96年12月21-22日。 陳彥旭，“平板式熱管之散熱評估模式建立以及擴散熱阻分析”，國立清華大學博士論文，中華民國96年七月。 模擬案例之示意圖 模擬與實驗所得的平板式熱管最高溫升 熱源面積: (a)10×10, (a)20×20, and (c)40×40 mm2. 平板式熱管內部之熱阻 熱源面積: (左)10×10, (中)20×20, 以及 (右)40×40 mm2.