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摘要：文中对用于通讯基站自然散热的吹胀型均热板进行了研究和创新设计。首先采用VOF模型对业内常用的蜂窝管路结构的吹胀型均热板的热性能进行了仿真分析。结果表明，蜂窝管路由于内部管道互联自由度较高，内部气液掺混，无法形成气液分离的定向循环流动，因此工作时底部易积液，顶部积气，上下侧温度分层严重。针对以上不足，文中设计了3种最速降线管路结构的吹胀型均热板，新结构可使管道内部形成定向的气液通道，能有效减少底部积液和顶部积气，散热效率更高。实验结果表明，最速降线管路的热阻相对于蜂窝结构散热片的热阻可减少18%。当加热功率为30W时，顶部热源温度下降了1.6?C。因此，该新型吹胀板散热片具有更好的散热性能，可进一步提升户外通讯基站设备的散热效率。
关键词：通讯基站；自然散热；吹胀型均热板；蜂窝管路；最速降线。
引言5G通讯技术是未来数字经济、物联网等关键领域的核心基石。与4G产品相比，5G户外通讯基站的热流密度大幅增加，散热问题日趋严峻，急需降低芯片温度来提升产品的可靠性。传统的散热优化设计常从提升界面材料的导热系数、优化翅片散热效率等方面着手。但界面材料的导热系数提升幅度有限，传统的压铸翅片如果做得非常薄，翅片的导热热阻就会增加，不利于散热。两相散热技术（如热管、平板热管等）在散热效率提升中一直起着重要的作用，若用二相均温散热齿来代替户外通讯基站散热器中的金属散热齿，散热效率将会得到极大提升。
吹胀型均热板是一种新型两相散热产品。其内部无毛细结构，采用印刷、热轧、冷轧、吹胀等工艺加工而成。制冷剂在含有特定回路通道的板内不断进行蒸发和冷凝，依靠工质相变高效传热。它起源于冰箱蒸发器和热泵蒸发器，主要技术点包括冷媒设计、管道优化和承压设计等。文献对比了3种工质在冰箱用吹胀蒸发器中的传热性能；文献研究了太阳能热泵用吹胀型蒸发器的3种气液通道结构对其传热性能的影响；文献[10]研究了吹胀式蒸发器流道设计及承压试验。
与压铸翅片相比，吹胀型均热板的均温性更好，重量更轻。与传统热管和均温板相比，吹胀型均热板具有加工工艺简单、价格低廉等优点，已开始应用于通讯基站的散热设计，可在提升散热效率的同时，降低产品的重量。由于独特的产品架构，通讯产品所用的吹胀型均热板结构有别于冰箱和热泵蒸发器，常采用蜂窝管路结构，在5G基站上属于全新的散热应用。文献对比了吹胀型铝制均热板在不同充液率、不同使用工况下的热阻及功率等传热性能参数。关于管路结构优化方面的研究暂未见报道。
本文基于通讯产品的散热特点，利用FLUENT二相仿真方法对吹胀型均热板蜂窝式流道内部冷媒流动特征和温度分布进行了仿真分析和优化改进，通过管路设计进一步提升了散热性能。
01数值模型1.1吹胀型均热板模型建立
吹胀型均热板由吹胀管路区域（突起区域）与基板区域（平滑区域）组成，内部无毛细结构，管路区域即为气液流动通道，管路内充注有相变冷媒工质。吹胀型均热板用于户外基站设备散热时，芯片热量传递给散热器基板，基板将热量传递给吹胀型均热板齿根处，近齿根处管路内液体受热蒸发，气压增大，从而与温度较低区域形成压差，带动气态工质流动，在远端和空气自然对流换热后冷凝成液体运动至加热侧，不断循环传递热量，最终达到一个准稳态过程。齿片散热性能越优，均温性越好，整板的最大温差就越小，热源处的温度就越低。
现用于通讯基站散热的吹胀型均热板多采用蜂窝管路结构形式。本文对蜂窝管路结构进行二相仿真分析，模拟单片吹胀型均热板在散热基板上的工作特征，在侧边设置均匀热源，加热功率为15W，如图1所示。
管路内部气液相的相变和流动直接影响整板的散热均温性，对管道区域和固体基板区域采用分区划分局部加密形式。
对网格无关性进行验证，将网格划分成，和共3种数量的网格。当输入功率一定时，选取热源温度作为评价指标，进行网格独立性验证，验证结果见表1。综合考虑计算精度和计算时间，最终采用的网格数量为个。
1.2数值模拟
蒸发冷凝相变传热传质过程贯穿吹胀型均热板的工作过程，采用VOF模型模拟相变过程和进行界面追踪。VOF方法规定了一个容积率函数α，取值范围为0～1，它表征某种流体在一个特定网格中的容积百分比。将管道内气态和液态冷媒的容积率函数定义为αv与αl，则有αv+αl=1，且应满足以下连续性方程：
式中：t为时间参量；?v为速度；Sm,v→l为气相质量源项；Sm,l→v为液相质量源项；ρl为液体密度；ρv为气体密度。
网格各相的分布情况可以由各项的容积率函数求解得到，即：
采用Lee模型来描述该传热与传质过程[12]。该模型假设蒸发和冷凝是一个准稳态过程，相变的发生与否只与是否达到饱和温度有关。在计算过程中对比网格温度与饱和温度的相对大小，将它作为气液界面是否发生相变的依据。质量源项的模型如式(3)和式(4)所示：
式中：rl→v和rv→l为相变速率；Tl，Tv和Tsat分别为液体温度、气体温度和饱和温度。得到两个相变传质过程的质量源项后，能量源项即由式(5)得到：
式中，hf,g为相变潜热。
速度压力耦合计算采用PISO算法，动量和能量方程采用二阶迎风格式，为了更加精准地追踪气液界面，采用Geo-Reconstructed插值法进行界面重构。
02管路结构设计2.1蜂窝管路数值模拟结果
冷媒在管路内部进行相变和流动传热，因此，管路结构直接影响流动路径、流动阻力和蒸发冷凝面积等，是影响换热的关键因素之一。对蜂窝管路结构的吹胀型均热板进行仿真分析。图2(a)为均热板达到准稳态时管道内的气液分布图。从相图可以看出：蜂窝管路自由度较高，因而无法形成定向的气液流动，管路内部气液掺混严重；由于管路内部结构呈六边形，冷凝端液体运动至蒸发段的路径较长，液体运动时需要经过的拐角较多，流动阻力大，因此难以及时将冷媒补充至蒸发段。
由于管路内部无毛细结构，因此冷凝液体回流路径与管路设计密切相关。从图2(a)可看出，由于重力的作用，工质汇集在管路底部，存在换热死区，上部有明显的缺液现象，底部液体工质聚集，会发生沸腾和蒸发，带走大量热量，底部温度较低。同时，随着上方气体的不断聚集，伴随有干烧现象，上方温度会明显增高，导致管路上下侧出现明显的温度分层。管道区域的温度云图如图2(b)所示，其中，管路上最大温差为4.1?C，热源处的平均温度为50.9?C。
2.2最速降线管路结构设计
蜂窝管路内部气液掺混，气液无序流动导致管路温度均匀性较差。管路内部没有毛细芯结构，工质难以形成具有方向性的流动，只能通过改进流道形状的设计，尽可能使管路内工质流动具有一定方向性，从冷凝区及时补充至受热区，在通道内形成定向循环，进而提升整个吹胀型均热板的传热性能。
最速降线问题是历史上第一个出现的变分法问题，也是变分法发展的一个标志。设A和B是铅直平面上不在同一铅直线上的两点，在所有连接A点和B点的平面曲线中，初始速度为零的质点从A点到B点沿其中某条曲线运动时所需时间最短，这条曲线就称为最速降线[13]。将冷凝液体看作质点，冷凝端位置看作A点，蒸发端位置看作B点，则在连接冷凝端和蒸发端通道中存在一条最速降线，使得液体从冷凝端回流至蒸发端更快。
根据吹胀型均热板的结构尺寸，设计最速降线管路结构，以期通过最速降线管路，促进液体在冷凝区冷凝后通过最速降线流道以最快速度回流补充至原受热区，快速形成一个循环，促进热量快速传输，提升均温性能。最速降线管路结构的相图和温度云图如图3所示。从图3(a)可以看出：在启动的初期阶段，管路内冷媒吸收热量迅速发生相变，液态工质之间有微小气泡出现；随着加热时间的延长，工质吸收热量增多，微小气泡逐渐合并成小气泡，在管路内部形成气液塞状流（相对原蜂窝管路结构，气液工质流动更加稳定，方向性更强）；在t=4.95s时，内部流动基本达到准稳态过程。由于流动路径的限制，新设计管路结构促使液体大部分通过最速降线管路回流补充至蒸发区相变传热，而不是在底部堆积，上部缺液问题也得到缓解。
从图3(b)可看出，高温区域不再聚集在整个均热板的上方，在管路之间，温度由高温平缓过渡至低温区域，未出现明显的高低温区域分界线，管路的最大温差由蜂窝管路的4.1?C降至3.3?C。若定义热阻R=?Tmax/Q（?Tmax为最大温差，Q为产热量），则相对于蜂窝管路的吹胀型均热板，新设计管路的热阻由0.27?C/W降至0.22?C/W，降幅为18.5%，效果显著。
在最速降线管路的基础上，新设计了2种管路结构，来进一步探究管路结构对吹胀型均热板热性能的影响规律。一种是在相邻最速降线管路上设置交错流道，另一种是在设计交错流道的基础上，又在蒸发区设置蜂窝管路结构，以弥补最速降线管路蒸发面积较小的不足。这3种管路结构及其温度云图如图4所示。
从图4可以看出，在最速降线管路结构上设计交错结构和蜂窝管道后，管道温度分布基本与最速降线管路一致，在顶部未出现高温区，在底部虽有个较低温区，但上下侧整体温度仍较低。带蜂窝的交错最速降线管路由于增大了蒸发面积，高温区的传热性能得到了较大的改善，相对于原最速降线管路结构，上部的温度进一步降低。带蜂窝的交错最速降线管路结构热源处的平均温度为49.6?C，相对于蜂窝管路结构，热源处的平均温度降低了1.3?C。
03实验测试与分析3.1实验系统搭建
图5为测试吹胀型均热板工作性能的实验台架，模拟片材在产品上的使用状态。在片材侧边贴附3个加热条，竖直放置，每个加热条的功率为10W，总加热功率为30W，正面在齿根和齿顶上布置8个测点（a1，b1，a2，b2，a3，b3，a4，b4），同时在加热条背面从上至下布置上、中、下3个测点，用来反应热源处的温度，在环境温度下自然散热达到稳态。
3.2实验结果分析
对4种管路结构进行试验测试，热源管路面8个测点的温差见表2。在不同管路测试时环境温度存在微小差异，用热源相对于环境温度的温升来表示散热片的散热能力，热源温度（测点上、中、下）与环境温度的温升如图6所示。
散热片的均温性用齿根和齿顶的温差来衡量，温差越小，散热片的传热效率就越高，根部热源处的温度也越低。从表2可知，蜂窝管路结构上部a1与b1的温差为5.4?C。相对于蜂窝结构，新设计管路上部缺液得到一定程度的补充，上部a1与b1的温差变小，热源1的温升随之减小。如图6所示，原蜂窝管路上测点的温升为42.1?C，蜂窝交错最速降线上部热源处温度最低为40.5?C，最大降温为1.6?C。
由于最速降线管路的定向流动，底部液体堆积减少，更多液体参与到整个循环中，相对于蜂窝结构，底部齿顶（b4测点）的温度升高，齿根–齿顶的温差缩小，热源3的温升相对于蜂窝结构减小。蜂窝管路整板的最大温差为13.6?C，对应的热阻为0.45?C/W，最优管路结构的最大温差为11.2?C，对应的热阻为0.37?C/W，热阻减小了17.8%。由于仿真在侧边均为加热，因此实验工况和仿真有差异，且管路结构与仿真并非完全一致。虽绝对温度数值有差异，但相对于原蜂窝管路，新设计管路的热阻均减小了18%左右。
4种结构稳定工作后的温度云图如图7所示。从图7可以看出，蜂窝上部有个“高温区域”，底部有“散热死区–低温区域”，新设计管路结构的温度更加均匀，热性能更优，与上述分析一致。吹胀型均热板无毛细结构，使用时其上部温度明显高于底部，上部温度为热瓶颈，但相对于原蜂窝结构，新设计管路上部的热性能有较大程度的改善。
从实验结果可看出，由于大循环特征一致，新设计的最速降线、交错最速降线以及带蜂窝的最速降线管路结构的总体散热能力相当。最速降线的定向运动使其在底部的温度更加均匀，底部的散热效果最优，蒸发段加蜂窝后，蒸发面积增加，对上部散热是有益的，同时加蜂窝的管路结构可在相同充液率下，使内部充注更多的冷媒，使其最大产热量增加。故在实际应用中，当功率较小时可选择最速降线管路结构，当功率较大时可选择带蜂窝的交错最速降线管路结构。
04结束语本文对用于通讯基站的吹胀型均热板进行了深入研究和创新设计。针对业内常用的蜂窝管路结构的吹胀板散热片，采用VOF模型对其均温性进行了仿真，对内部冷媒流动特征进行了分析，探究其性能不足，同时设计了3种最速降线管路结构，通过对仿真和实验结果的分析得出以下结论：
1）吹胀型均热板内无毛细结构，气液流动特征直接受管路结构的影响，蜂窝管路自由度较高，无法形成定向的气液流动，管路内部气液掺混严重，液体工质汇集在管路底部，上方气体聚集，温度高于底部，出现明显的温度分层现象。
2）利用最速降线理论设计出的最速降线管路结构中，气液工质流动更加稳定，方向性更强，底部液体堆积减少，更多液体参与到整个循环中，高温区域不再聚集在整个平板的上方，未出现明显的高低温区域分界。
3）相对于原蜂窝管路结构，最速降线管路结构的热阻可减少18%，在30W加热功率下，顶部热源最多可降温1.6?C。本文设计的吹胀型均热板能更好地提升户外通讯产品的散热效率。
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