有回路热管厂商提供的相关性能指标（包括诸如总润湿毛细热阻等重要资料）

    能利用足够详细的两相热力学程序，其中包括基本的毛细模拟模块。

    已创建冷凝器、回流管线和补偿箱的详细的热/流体模型。

　　本片文章的焦点在于最后一条：布置冷凝器和管线，将管线热/流体模型与结构热模型耦合。这也是后续例子的主要目的，在新例子中将采用前面一个例子的构型设计。

　　幸运的是，回路热管性能并不明显受到非凝结气体产生的影响（除了启动时，见Ref13）。启动（短时间效应）瞬态是非常复杂的(Ref 14)，一般的热瞬态过程都能被比较容易的模拟，只要两相分析软件允许准稳态两相水力学与瞬态热结构响应耦合。

回路热管应用案例

　　仍然采用前面使用的模型，只是将热管替换为回路热管，以演示典型的回路热管模拟应用和介绍在3D FDM/FEM热模型内建立1D流体模型的方法。

　　回路热管不能完全代替传统的热管，除非PCB板的导热率有了极大的提高。也就是说，仍需要热管从分散的元件收集热量并将热量传递给回路热管的蒸发器。回路热管不适合等温化组件，也不适合在大的电路引脚上收集热量。

　　但是，回路热管的散热引脚有很高的散热能力，而不必如传统热管那样要求引脚必须在同一平面。也就是说，回路热管能更好地利用铝壁的可用面积，这在一定程度上弥补了由于联合利用热管和回路热管而多出的接触热阻项。

　　在这个案例中，采用了单一的回型管冷凝器以易于管路的密封。多通、平行管路也能作为替代品使用，但是要求两相热工水力分析软件必须能模拟有很小压降的平行管路内分布情况，也必须能追踪液－汽界面，因为有很强的重力效应存在于这样分布中。

　　氨被选作工质，除了由于设计上的成熟外，还因为水在这些温度下具有的低蒸汽压（25°C时～3000Pa绝对压力）使得它不太适合用于回路热管。由于选用了氨，所以铜不再用作管壁材料，而选用了铝和不锈钢。毛细材料为烧结镍。传输管线和回型管冷凝器采用的是一整根ASTM B307 4mm (名义值)铝管(1.9mm内径, 3.2mm外径)。

　　图5给出了系统性能的描述，作为对比，同时给出了上例中没有气体时传统热管系统的最终结果。位于PCB板右下方的蒸发器和补偿箱以2D壳单元可视形式给出。蒸发器（而不是补偿箱）与PCB板的等温热管连接，等温热管仍在PCB板内存在（虽然在图中为了避免杂乱而未显示），这个热管不再作为传输装置，所以也不再延长至整个电路板。

　　回路热管的饱和温度大致在26°C左右，这个值比传统热管的30°C设计值低了几度，但是在两个案例中芯片的温度几乎是一致的，原因是传输到铝板上的热量是一样的: 11W多一点。如同期望的那样，在传统热管和回路热管蒸发器间多出的接触热阻被铝板热沉的更好利用得到了有效补偿。也就是说，回型热管从根本上消除了铝板的温度梯度（图5）。这种构型对传统的热管而言是不可能实现的，由于不在同一平面上引起的有限的静压差。

图5: 带有回型冷凝器的回路热管替代系统
(传统热管方案位于左图)

　　以上两个例子不要被误解为是传统热管与回路热管间的比较，天圆液压缸筒，因为两个案例都不是在特定要求下的优化案例。例子给出的目的是介绍在3D热几何模型内建立各种1D物体的功能以及演示两种专门模拟技术。

　　同样的，给出了一些有关传统热管与回路热管间的优劣区别，以便进行简要的讨论。传统热管是一种比回路热管简单、便宜的设备，在其它所有条件都一致时，自然应当被首先选用。但是选用传统热管时必须考虑其在散热引脚上的限制和在重力影响下的布置方向问题。回路热管，相反地，能在任意复杂、小流动面积管道或管网上用作冷凝器，也能使用细小、多变化的传输管线。回路热管几乎不受重力或朝向限制，但是在启动时也会有些问题(Ref 13, 14), 并且补偿箱也会由于不得不靠近蒸发器而受到过多的加热，从而出现不能应付的封装问题，回路热管在吸热引脚上也有局限，因为大的蒸发器尺寸和不合理的蒸发器形状意味着回路热管性能的下降，产生的原因主要还是上面讨论的热量回流问题，这也会影响到热管启动的稳定性。

结论

　　电子设备的风冷正在接近它的极限。替代产品包括热管、蒸发室翅片、回路热管、回路热虹吸、泵推进的单相冷却剂回路、喷淋冷却和蒸汽压缩循环制冷回路。所有的这些替代技术都很难用2D/3D CFD软件模拟：1D流动模拟技术更合适应用于这些领域。但是，1D流动模拟技术以前并不与广泛应用的2D/3D热（导热/辐射/热容）模拟软件兼容。

　　这篇论文介绍了专门用于缝合这个模拟技术间隙的1D流动模拟工具，缸筒，并用传统热管和回路热管的例子演示了用到的概念。这种模拟所带来的高速能有助于高级任务分析，如优化、极端工况确定、自动根据实验数据标定模型、统计学的可靠度/敏感度评估等。

参考文献

1. J. Wei et al, "Thermal Management of Multiple MCMs with Low-temperature Liquid Cooling," Proceedings of InterPack ’01 Pacific Rim International Electronic Packaging Conference, IPACK2001-15523, July 2001.

2. S. Downing, "An Integrated Cooler for High Heat Flux Electronics," IPACK2001-15783, July 2001.

3. G.W. Pautsch, "Overview on the System Packaging of the Cray SV2 Supercomputer," IPACK2001-15513, July 2001.

4. C.E. Bash, "Analysis of Refrigerated Loops for Electronics Cooling" IPACK2001-15619, July 2001.

5. T. Panczak et al, Thermal Desktop User’s Manual (PDF file).

6. D. Johnson et al, "Novel Simulation Techniques for Design of Air-cooled Electronics," IPACK2001-15523, July 2001.

7. J. Baumann et al, "Nonlinear Programming Applied to Calibrating Thermal and Fluid Models to Test Data," SEMI-THERM, March 2002.

8. B. Cullimore, "Dealing with Uncertainty and Variations in Thermal Design," IPACK2001-15516, July 2001.

9. B. Cullimore, "Nonlinear Programming Applied to Thermal and Fluid Design Optimization," ITHERM, May 2002.

10. Thermacore’s Xeon? Processor Cooler,

11. J. Ku, "Operating Characteristics of Loop Heat Pipes," SAE 1999-01-2007, July 1999.

12. J Baumann et al, "Steady State and Transient Loop Heat Pipe Modeling," SAE 2000-ICES-105, July 2000.

13. J. Baumann et al: "Noncondensible Gas, Mass, and Adverse Tilt Effects on the Start-up of Loop Heat Pipes," SAE 1999-01-2048.

14. J. Baumann et al, "An Analytical Methodology for Evaluating Start-up of Loop Heat Pipes," AIAA 2000-2285.

作者：

David A. Johnson, Jane Baumann,Brent Cullimore,

C&R Technologies, Inc.
9 Red Fox Lane
Littleton, Colorado 80127-5710