兩相散熱器結(jié)冰鼓脹失效機(jī)理的仿真研究談周妥/中興通訊股份有限公司?2025ANSYS,Inc.目錄1.背景：兩相散熱器的結(jié)冰問題2.方法

：數(shù)學(xué)模型3.垂直熱管的結(jié)冰規(guī)律研究4.

兩相散熱翅片的結(jié)冰規(guī)律研究5.

總結(jié)1.背景：兩相散熱器的結(jié)冰問題1.1

兩相散熱器的工作原理?以熱管（Heat

Pipe）、均熱板（Vapor

Chamber）為代表的銅-水兩相散熱器?

水是當(dāng)前最優(yōu)相變介質(zhì)。氣液相變的高效傳熱原理，數(shù)十倍于銅材的導(dǎo)熱系數(shù)?重要散熱物料，廣泛應(yīng)用于各類ICT產(chǎn)品中冷凝放熱蒸發(fā)吸熱>2000W/m·K

@相變傳熱VS200~400W/m·K

@金銀

銅鋁飽和態(tài)附近交替循環(huán)實(shí)現(xiàn)熱量傳遞液態(tài)工質(zhì)回流汽態(tài)工質(zhì)遷移1/15水在低溫下結(jié)冰，體積膨脹9%1.背景：兩相散熱器的結(jié)冰問題兩相散熱器結(jié)冰問題已嚴(yán)重影響產(chǎn)品可靠性！

2/15溫度循環(huán)材料級損失，性能下降系統(tǒng)級損失，產(chǎn)品報(bào)廢1.2

兩相散熱器結(jié)冰問題溫度循環(huán)后鼓脹失效芯片、PCB板頂傷VC熱管失效散熱器fin片脫落密封失效正常散熱器短路燒毀接觸惡化1.背景：兩相散熱器的結(jié)冰問題1.3

兩相散熱器結(jié)冰問題的仿真研究意義設(shè)計(jì)因素？?

毛細(xì)結(jié)構(gòu)

?

蒸汽空間?

支撐結(jié)構(gòu)

?

殼體厚度?

充液量

?

加工狹縫環(huán)境因素？?

溫降速率?

溫降溫域?

保溫時間×低溫貯存實(shí)驗(yàn)×溫度循環(huán)實(shí)驗(yàn)

參數(shù)化

模擬多種外部環(huán)境變化

溫度

、

冰相定量規(guī)律

給出實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)數(shù)值仿真是研究

兩相散熱器結(jié)冰鼓脹機(jī)理的有力工具！

結(jié)冰過程可視化

明晰冰層演化規(guī)律

定位結(jié)冰鼓脹機(jī)理

結(jié)冰機(jī)理明晰

針對性設(shè)計(jì)

性能

、

可靠性雙贏×封閉腔體無法觀測×

多因素相互影響×

機(jī)理不明×

攔截困難×

改進(jìn)困難×減少水量×

性能下降針對性可視化3/15?

Solidification/MeltingModel?

將固液混合區(qū)視為多孔介質(zhì)，通過液相體積分?jǐn)?shù)動態(tài)反映相變過程?已集成在ANSYS

Fluent2.方法：數(shù)學(xué)模型2.1控制方程（開放空間內(nèi)水結(jié)冰過程）（2）動量方程（1）連續(xù)方程（3）能量方程4/15局部熱平衡模型（LTE）?銅的高導(dǎo)熱性快速均質(zhì)化溫度場；?緩慢降溫使過程準(zhǔn)靜態(tài)；?

微孔尺度下熱弛豫時間極短2.方法：數(shù)學(xué)模型2.2控制方程（多孔介質(zhì)內(nèi)水結(jié)冰過程，引入孔隙率修正）（2）動量方程（3）能量方程kar=pkpcw+(1-J)k·

（1）連續(xù)方程5/15>求解器設(shè)置

SIMPLE

算法

離散方法：

梯度：網(wǎng)格最小二乘

壓力：二階

動量：二階迎風(fēng)

能量：二階迎風(fēng)模型

瞬態(tài)求解

層流

能量方程

凝固-融化模型

重力邊界條件

外殼對流邊界條件

環(huán)境溫度隨時間變化（UDF）材料

流體：水

流體：水（多孔介質(zhì)）

固體：銅使用Ansys

Fluent

完成求解設(shè)置、方程迭代、計(jì)算結(jié)果提取6/152.方法：數(shù)學(xué)模型2.3

求解設(shè)置3.垂直熱管的結(jié)冰規(guī)律研究3.1幾何模型與邊界條件?幾何模型：外殼

、

毛細(xì)

、

蒸汽以及根據(jù)多于水量換算的積水。?

外部溫度隨時間變化，模擬溫降過程。?對外殼施加第三類邊界條件：q

=

h(T

?T∞

)

25°C→

-40°C?三種溫降速率：2°C/min5°C/min

11°C/minAnsys

Space

ClaimAnsysMeshingFluent

UDF幾何建模網(wǎng)格劃分變溫邊界毛細(xì)/V積水外殼7/153.2熱管結(jié)冰過程復(fù)現(xiàn)①

釋放顯熱階段：環(huán)溫降至-40°C，水釋放顯熱，熱管殼體維持在0°C以上；②

毛細(xì)結(jié)冰階段：外層毛細(xì)開始結(jié)冰，釋放潛熱，

殼體溫度維持0°C

，；③

積水結(jié)冰階段：積水先在④

鼓脹階段：先在水面結(jié)冰，形成“冰包水

”，內(nèi)部積水后結(jié)冰導(dǎo)致鼓脹

觀測截面3.垂直熱管的結(jié)冰規(guī)律研究

使用Ansys

CFD-Post

完成計(jì)算結(jié)果后處理

8/153.垂直熱管的結(jié)冰規(guī)律研究3.2熱管結(jié)冰過程復(fù)現(xiàn)?液面結(jié)冰，

形成

“冰包水

”；內(nèi)部游離水再結(jié)冰造成鼓脹?實(shí)驗(yàn)過程得到良好復(fù)現(xiàn)

，仿真結(jié)論與實(shí)驗(yàn)匹配tt+Δt毛細(xì)層快速、均勻結(jié)冰Bérutetal.,Appl.

Therm.Eng.(2023);Gerberetal.,PNAS

(2022)形成封閉空間b.冰包水a(chǎn).液面先結(jié)冰，鼓脹，破裂9/15t+Δtt3.垂直熱管的結(jié)冰規(guī)律研究3.3不同溫降速率下的結(jié)冰時間預(yù)測?溫域-40°C，不同溫降速率下的水體積分?jǐn)?shù)隨時間變化曲線，體積分?jǐn)?shù)到達(dá)0則完全結(jié)冰。?溫降速率下降，熱管內(nèi)完全結(jié)冰所需保溫時間逐漸縮短。?為保障風(fēng)險(xiǎn)攔截，11°C/min

，

5°C/min

，

2°C/min保溫時間分別為17.5

、

15.3

、

9.2

min以上。11°C/min2°C/min5°C/min10/153.垂直熱管的結(jié)冰規(guī)律研究3.4不同溫域下的結(jié)冰時間預(yù)測?溫降速率11°

C/min，不同溫域的水體積分?jǐn)?shù)隨時間變化曲線，體積分?jǐn)?shù)到達(dá)0則完全結(jié)冰。?游離水量相同時，隨著溫域提高，熱管內(nèi)完全結(jié)冰所需保溫時間顯著增加。?隨溫域由-40°C提升至-5°C時，

完全結(jié)冰所需時間分別為17.5

min

，34min

，

105

min。?結(jié)冰速度放緩，也有助于減慢液面結(jié)冰，延緩冰包水的出現(xiàn)時間，鼓脹減輕。-40°C

-20°C

-5°

C

11/154.兩相散熱翅片的結(jié)冰規(guī)律研究4.1幾何模型與邊界條件?選取兩相散熱翅片的局部一個鼓脹單元的一半幾何結(jié)構(gòu)進(jìn)行建模，幾何模型包括銅外殼

、

銅水毛細(xì)層（50%孔隙率）

、

積水。?內(nèi)部有水的一面是對稱面，絕熱處理；外殼面設(shè)置第三類邊界條件，給定對流換熱系數(shù)h、來流溫度T

∞。內(nèi)部面

外部面

模型來源

12/154.兩相散熱翅片的結(jié)冰規(guī)律研究4.2垂直放置場景下兩相散熱翅片結(jié)冰過程復(fù)現(xiàn)?

模擬25°C常溫翅片在溫箱中溫降至-40°C

的過程，取T∞=40

°

C；?金屬外殼最先降溫，中心積水釋放顯熱，殼體由四周向中心溫度逐漸下降；?15s前，

緊貼金屬外殼的毛細(xì)層先結(jié)冰，形成基本均勻的冰層；?15s后，

毛細(xì)層基本完成結(jié)冰，積水四邊開始出現(xiàn)冰層，并由外向內(nèi)凝固，中心的液體逐漸減少13/154.兩相散熱翅片的結(jié)冰規(guī)律研究4.3

兩相散熱翅片低溫鼓脹機(jī)理1.毛細(xì)層均勻結(jié)冰：毛細(xì)層等效導(dǎo)熱系數(shù)高，幾乎均勻結(jié)冰，冰層沿垂直方向推進(jìn)，無局部封閉區(qū)域

,鼓脹風(fēng)險(xiǎn)小。2.蒸汽腔空間減?。悍e水導(dǎo)熱差，結(jié)冰晚于毛細(xì)，毛細(xì)冰層優(yōu)先擠占蒸汽腔空間。3.積水四周結(jié)冰：液面處優(yōu)先封住，無空余空間。4.積水內(nèi)部結(jié)冰：內(nèi)部的水結(jié)冰，體積繼續(xù)膨脹，造成鼓脹?？菇Y(jié)冰設(shè)計(jì)?

積水風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域避免易封死結(jié)構(gòu)?

底邊額外毛細(xì)燒結(jié)

水量不變，性能保證

結(jié)冰鼓脹問題有效改善14/153.對熱管、兩相翅片在垂直狀態(tài)下的結(jié)冰過程進(jìn)行了瞬態(tài)建模仿真，研究了冰層演化過程、不同溫降速率對結(jié)冰時間的影響，發(fā)現(xiàn)（1）

液面先結(jié)冰，

形成“冰包水”，

內(nèi)部游離水再結(jié)冰造成鼓脹是主要失效原因，與實(shí)驗(yàn)吻合。（2）積水完全結(jié)冰時間與溫降速率、溫度范圍、積水量相關(guān)，

保溫時間是攔截結(jié)冰問題的關(guān)鍵