2025大赛优秀作品 | 两相散热器结冰鼓胀失效机理的仿真研究

作品名称：两相散热器结冰鼓胀失效机理的仿真研究

作者：谈周妥 | 中兴通讯股份有限公司 热设计工程师

关键词：均热板，Ansys Fluent，结冰鼓胀，可靠性

均热板、热管温循后表面鼓胀失效形貌

以热管（Heatpipe）、均热板（Vapor）为代表的两相散热器，由于其内部水工质高效的蒸发-冷凝相变传热循环，实现了数十倍于传统金属材料的超高导热效果，广泛应用于数据中心、网络通信、新能源车、储能等重要科技领域中。然而，由于水工质结冰体积膨胀的特性，导致此类散热器在低温场景下存在结冰鼓胀风险，造成散热器失效、产品损坏、短路等可靠性风险。本次研究借助Ansys Fluent流体仿真软件，对热管、均热板在低温场景下的内部结冰过程展开复现，获得了内部冰层演化规律。明晰了此类散热器局部结冰鼓胀的主要机理，以及不同温降速率、温降温域的环境条件下的内部结冰速率差异，给出了对应的风险拦截测试要求。基于结冰机理形成抗结冰结构与毛细设计，可在保障性能的前提下，降低结冰风险。

挑战/需求

垂直热管结冰问题仿真复现：液面结冰，形成“冰包水”；内部游离水再结冰造成鼓胀

均热板、热管类铜-水两相散热器在低温环境下结冰鼓胀问题严重影响其产品可靠性。同时，封闭腔体内部无法观测导致原因定位困难。需要借助数值仿真方法，通过对其内部结冰过程复现并可视化，定位结冰鼓胀原因，进而针对性提出预防措施。

使用工具：

几何建模：Ansys SpaceClaim；

网格划分：Ansys Fluent Meshing；

方程求解：Ansys Fluent

最终成果

均热板结冰鼓胀问题复现：毛细层结冰-空间压缩-积水四周结冰-积水内部结冰

• 热管、均热板在低温场景下的内部结冰过程得到有效复现，仿真结论与实验匹配；
• 获得了游离水、毛细内水在低温下的不同结冰演化规律；
• 有效定位了散热器结冰鼓胀主要原因；
• 获得了外部环境（温降速率、低温区间）对结冰鼓胀问题的影响规律。

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