平板熱管的特點

平板熱管由于其自身的結(jié)構特點,在熱量傳遞中表現(xiàn)出了良好的工作特性,主要體現(xiàn)在以下幾個方面 :

熱管可將大量熱量通過很小的面積遠距離地傳輸而無需外加動力。平板熱管相當于多只熱管排列的散熱元件,但與多只熱管的排列相比,降低了管壁與管壁之間的接觸熱阻,具有更高的散熱能力和效率[]。

當熱管穩(wěn)定工作時,加熱段吸收的熱量等于冷卻段放出的熱量。所以通過改變加熱和冷卻的面積,就可以將局部的大熱流密度高效地擴展到一個大的散熱區(qū)域,進而使整體熱流密度減小。

平板熱管不僅可以在軸向上進行傳質(zhì)換熱,還可以進行徑向的傳質(zhì)換熱,使得熱管壁面的溫度梯度減小,均溫效果十分明顯。某些情況下整個散熱區(qū)域的溫差能控制在2℃之內(nèi),這樣可以滿足特殊場合電子元器件的要求,使電子元器件工作效率高。

對于一根水平放置或處于失重狀態(tài)的有芯熱管,內(nèi)部循環(huán)力是毛細力,只要一端受熱即可作為蒸發(fā)段,另一端為冷凝段。而重力熱管則沒有這一特性。

由于熱管的傳熱不受外形的影響,可以根據(jù)具體的場合對熱管的冷凝段和蒸發(fā)段分別進行設計,而且更安全可靠,可以長期運行。平板熱管正是應用這一原理對常規(guī)熱管進行改進,將其與電子器件之間的接觸面做成規(guī)整的平面形狀,與圓形截面熱管或其他截面形狀的熱管相比,具有更大面積直接貼附熱源而無需配加鞍座結(jié)構,降低系統(tǒng)的接觸熱阻,并可應用在筆一記本電腦NB、掌上電腦IMPC、機頂盒STB與多功能行動電話等輕薄短小、空間受限及高發(fā)熱密度的電子產(chǎn)品

平板熱管按照工質(zhì)在蒸氣腔內(nèi)流動的方向和傳熱機理的不同, 可分為徑向平板熱管和軸向平板熱管 2種。常見的芯體結(jié)構有 3 種:

( 1) 燒結(jié)金屬粉末芯: 能提供大的毛細力, 但在液體流道會出現(xiàn)大的壓降, 其滲透率較差, 其軸向的傳熱能力仍較軸向槽道管芯及干道式管芯的傳熱能力小。

( 2) 槽道: 沿芯體的熱阻低, 毛細力大多不足。傳統(tǒng)工藝要達到更小的尺寸很困難。

( 3) 絲網(wǎng)屏芯: 流動熱阻可以通過幫扎力度來控制, 比較靈活。主要缺點是溫度降很大。

C. Gillot 等 計算發(fā)現(xiàn)槽芯尺寸在蒸發(fā)部分的有效導熱系數(shù)很低。軸向槽的大尺寸限制了傳熱, 提出用硅制作熱管槽道, 能達到 10 μm 的槽寬。結(jié)果表明: 用硅熱管熱量更均勻, 能使熱阻降低。

Y. Avenas 等 試驗表明: 硅熱管的熱阻比同尺寸的光硅管小 60%, 與同外形尺寸的光硅管相比在功率元件和熱沉之間的熱阻能降低 40%。

Liu 等提出在兩層網(wǎng)屏之間用一列平行絲線連接。絲線為內(nèi)部結(jié)構提供支撐來承受內(nèi)部壓力的變化,輔助流體的返回。結(jié)果表明: 屏網(wǎng)的數(shù)量對毛細壓力有負作用。絲網(wǎng)數(shù) 150 時達到最大的傳熱能力。絲線直徑的小增加引起傳熱能力的大幅增加。絲網(wǎng)層數(shù)增加能降低液體的摩擦壓降, 增加流通面積而提高傳熱能力。厚度優(yōu)化比數(shù)量優(yōu)化明顯。多層密網(wǎng)芯比單層疏網(wǎng)芯有更大的傳熱能力。采用傳統(tǒng)加工技術產(chǎn)量低、代價高、機加工費時、報廢率高。目前用金屬輥壓的方法來加工梯形槽, 鋸切加工矩形槽。這些加工方法的缺點是: 毛細抽吸半徑與燒結(jié)芯和金屬網(wǎng)相比不是最小的,且要形成深槽不破壞壁面是困難的。

Wright- Patterson 等提出芯體由金屬絲線制成, 絲布制成矩形屏并且插入熱管比機加工的固體壁更容易。屏的小核心作為抽吸芯, 矩形槽作為主要通道芯。目前對熱管設計參數(shù)優(yōu)化的報道文獻很少。吳小平等對冷凝面積進行優(yōu)化, 結(jié)果為 LeDLc=0.3~0.6, 熱管直徑越大, L 的優(yōu)化比越小。這是因為大直徑熱管能夠提供更大的蒸發(fā)面積而導致蒸發(fā)熱阻降低。查閱文獻, 我們發(fā)現(xiàn)沒有統(tǒng)一的設計標準, 熱板的研究仍然處于實驗室階段, 沒有成批的生產(chǎn)。余小玲等對混合封裝電力電子集成模塊優(yōu)化模擬發(fā)現(xiàn), 當基板底面等溫時, 模塊的結(jié)殼熱阻最小, 并且芯片之間完全沒有熱影響。在此設計準則的指導下, 我們設計開發(fā)了一種用于電力電子集成模塊散熱用的小型徑向平板熱管, 將銅基板中心部分做成空腔, 空腔內(nèi)抽真空, 注入一定容量的工質(zhì), 以徑向平板熱管代替銅基板。試驗結(jié)果表明: 平板熱管促使基板等溫性增強, 提高了模塊熱擴散能力, 有著良好的啟動性能和等溫性能。

從不平衡熱力學最小熵增理論出發(fā), 丁信偉等 對熱虹吸管內(nèi)的熱力學特性進行了熵增分析的研究, 對過程優(yōu)化、減小熱損失有重要作用。對平板熱沉進行了熵產(chǎn)最小的優(yōu)化, 計算結(jié)果得到了試驗驗證。下一步要進行熱管系統(tǒng)的熵產(chǎn)分析, 利用熵產(chǎn)最小和場協(xié)同原理進行徑向平板熱管的參數(shù)優(yōu)化研究, 提出一種與電子裝置一體化的新型熱管。

采用傳統(tǒng)加工技術產(chǎn)量低、代價高、機加工費時、報廢率高，目前用金屬輥壓的方法來加工梯形槽，鋸切加工矩形槽。這些加工方法的缺點是:毛細抽吸半徑與燒結(jié)芯和金屬網(wǎng)相比不是最小的，且要形成深槽不破壞壁面是困難的。另外，微型平板熱管的加工方法大都采用分別加工上下基板，然后通過金屬焊接或者鍵合等工藝實現(xiàn)上下基板的粘接。這樣的工藝優(yōu)點在于粘接牢靠、密封性好，但也存在加工難度大、設備造價高等問題。

劉曉為等 提出了一種微型平板熱管的封裝方法，他們采用低熔點金屬作為焊料，通過特制模具對微熱管殼體施加一定壓力，在真空或者保護氣體環(huán)境下加溫熔化焊料金屬，再冷卻后，使得微型平板熱管上下基板粘合在一起，以達到微熱管的封裝目的。該方法操作簡單、成本低廉、連接穩(wěn)定可靠，能夠滿足微型熱管正常工作需求。 張曉東等 提出了一種熱型連鑄法制造槽道式平板熱管。這種方法可以鑄出截面形狀復雜、壁薄、細小的鑄件，且鑄件表面光潔、尺寸準確，給熱管設計提供了很大的方便和靈活性。

另外，平板熱管內(nèi)部毛細芯的制作也是需要解決的關鍵問題。目前制作毛細結(jié)構的方法主要有:燒結(jié)、銅網(wǎng)、溝槽以及金屬薄膜等。其中 Thermacore(美國)、Fujikura(日本)為平板熱管生產(chǎn)主要領導廠商，其毛細結(jié)構都是以銅粉燒結(jié)方式制作。國內(nèi)的奇雙、雙鴻、超眾、旭揚熱導、鼎沛等公司亦有研發(fā)平板熱管，都是以銅粉燒結(jié)為主。

平板熱管屬于熱管的一種類型，并且平板熱管比一般熱管具有更加突出的優(yōu)點，其形狀非常有利于對集中熱源進行熱擴散。其工作原理為平板熱管是一個內(nèi)壁具有毛細結(jié)構的真空腔體，腔體抽成真空并充入工質(zhì)，當熱量由熱源傳導至蒸發(fā)區(qū)時，腔體里面的工質(zhì)在低真空度的環(huán)境中會開始產(chǎn)生液相氣化的現(xiàn)象，此時工質(zhì)吸收熱能并且體積迅速膨脹，氣相的工質(zhì)會很快充滿整個腔體，當氣相工質(zhì)接觸到一個比較冷的區(qū)域時便會產(chǎn)生凝結(jié)的現(xiàn)象，從而釋放出在蒸發(fā)時累積的熱，凝結(jié)后的液相工質(zhì)由于毛細結(jié)構的毛細吸附作用再回到蒸發(fā)熱源處，此過程將在腔體內(nèi)周而復始進行，如此循環(huán)便能帶走模塊產(chǎn)生的熱量 。

平板熱管與傳統(tǒng)熱管相比具有以下優(yōu)點:

①能有效解決散熱和減小溫度梯度;

②平板熱管通過降低熱阻而達到高熱導率，保證熱量快速及時傳遞;

③用熱管基板代替金屬基板能大大強化基板的熱擴散，熱板的等溫性也有益于降低熱阻，為與電子元件一體化封裝提供了條件，為此，平板熱管正成為國內(nèi)外熱管界及熱管廠家研究的一個熱點領域。

平板熱管在微電子器件的散熱和降低熱流密度方面有著廣闊的應用前景,對其進行的研究也在不斷地深入。微型平板熱管雖然結(jié)構簡單,但是內(nèi)部發(fā)生的物理過程十分復雜,影響熱管傳熱性能的因素也較多。同時,微小型化使得熱管的結(jié)構尺寸顯著減小,內(nèi)部物理過程的機理更趨于復雜,存在諸多不同于宏觀情況的地方,進一步加大了研究的難度 。

綜述國內(nèi)外文獻對平板熱管的研究,主要集中在實驗研究和理論研究兩個方面。實驗研究的難點在于平板熱管實驗件的加工上,微小型化使得傳統(tǒng)的工藝無法滿足要求,增加了加工難度,同時加工精度對實驗測量數(shù)據(jù)的準確性有非常大的影響。理論研究在分析傳熱機理和高維度的數(shù)學建模上存在困難,一般的分析著重于熱管傳熱特性的某一方面,綜合考慮各因素后對其進行簡化,從而建立相應的數(shù)學模型得到一些理論分析的結(jié)果。

電力電子裝置內(nèi)部產(chǎn)生的高熱流密度對裝置的可靠性造成極大威脅。由于高溫導致的失效在所有電子設備失效中所占的比例大于 50%, 傳熱問題甚至成為了裝置朝小型化方向發(fā)展的瓶頸。電子元件除了對最高溫度的要求外, 對溫度的均勻性也提出了要求。隨著微電子技術的迅速發(fā)展，電子器件的微型化已經(jīng)成為現(xiàn)代電子設備發(fā)展的主流趨勢。電子器件特征尺寸不斷減小(如微處理器的特征尺寸在 1990~2000 年內(nèi)從 0.35 μm 減小到 0.18 μm)芯片的集成度、封裝密度以及工作頻率不斷提高，這些都使芯片的熱流密度迅速升高。因此電路及其芯片散熱問題顯得格外突出。而平板熱管具有高的熱導率和良好的均溫性，成為解決電子散熱問題的很有前途的技術之一 。

目前國內(nèi)外的文獻中對軸向平板熱管研究較多, 徑向平板熱管通過降低熱量傳遞方向上的熱阻而達到高的熱傳導率, 這種熱管傳播器具有更大的冷卻面積。由于質(zhì)量輕、結(jié)構靈活、極高的導熱性能等在很多方面都有廣泛的應用。目前人們對平板熱管的傳熱傳質(zhì)機理仍然缺少深入而準確的了解, 也沒有建立起對平板熱管設計的工作極限參數(shù), 更缺少可靠的計算與設計方法。綜述國內(nèi)外熱板的最新研究成果, 明確下一步的研究趨勢和進展, 對電子元件冷卻有重要的價值, 對于開發(fā)設計新型熱板有重要意義。

對于熱板來說, 工質(zhì)從蒸發(fā)端蒸發(fā), 通過橫截面積比較大的蒸氣腔, 然后到達冷凝端進行冷凝。此時的蒸氣流速比較低, 因此熱板設計時不需要考慮聲速限、攜帶限。另外,由于熱板上下表面間的距離很小, 蒸氣在兩表面間流動的壓力損失很小, 因此沸騰限和毛細限是影響熱板性能的主要因素。毛細芯中的汽化核心阻礙了液體循環(huán), 會導致過高的局部熱流及毛細限的極大降低和局部熱點的出現(xiàn)。

Krustalev D 等 通過守恒方程對微槽平板熱管的最大傳熱能力進行了研究, 得到以下幾個結(jié)論:

( 1) 單位寬度上槽道數(shù)增加, 傳熱系數(shù)增大。

( 2) 從垂直放置的銅水熱管傳熱能力曲線可知, 熱管存在最佳寬度和最佳深度。

( 3) 在某一處是否出現(xiàn)沸騰取決于此處的彎月面半徑和過熱度。

Cao 等給出了沸騰極限時的蒸氣的臨界過熱度以及臨界熱流?？梢灾牢⑿蜔峁艿姆序v極限不僅與熱管的工況有關, 而且還依賴于小的蒸氣以及不凝氣體氣泡的有效半徑。范春利等也對微槽平板熱管可能出現(xiàn)的沸騰極限進行了研究。N.J.Gernert 等研究了多個分散熱源扁平熱管的性能, 通過總結(jié)最大液體和蒸氣壓降可以確定所需的毛細壓降, 從而確定吸液芯的的核心半徑來提供必須的毛細壓降以防止干涸。

液固接觸角減小, 則最大傳熱熱流增加。在一般情況下, 毛細限限制著熱管的傳熱性能, 但在高工作溫度尤其是在熱管豎直放置時熱管以沸騰極限為主。在有重力輔助的熱管中, 只要氣泡可以從蒸發(fā)段迅速逸出, 真正的沸騰極限實際上是膜態(tài)沸騰極限。槽道寬度小、深度大的平板熱管, 傳熱能力更大。較短熱管, 沸騰限是主要的; 長熱管毛細限是主要的限制因素。

熱源在平板熱管上的布置，對平板熱管的均溫性及散熱效果具有較大的影響。對于單一熱源加熱的平板熱管，熱源多布置在板的中心以提高其均溫能力。然而因為多熱源分布造成不均勻的熱負荷分布，以往應用于單熱源熱管傳熱研究的傳統(tǒng)的分析方法將不再適用，對多個熱源在平板熱管上的分布和優(yōu)化是一個嶄新的研究領域。

Chang 等 研究了平板熱管在非均勻加熱條件下的蒸發(fā)傳熱性能。得到了與田金穎等 相似的結(jié)果:蒸發(fā)器的熱阻對加熱條件并不敏感，即蒸發(fā)器的熱阻在不均勻的加熱條件下與均勻加熱條件相比變化不明顯。 Tan 等

利用 Dirac Delta 函數(shù)將多個蒸發(fā)段模擬成點熱源，認為液體壓降最小時熱管的傳熱能力最優(yōu)，此時熱源有最佳的布置方式:對單熱源，最佳位置在平板熱管的中央; 對雙熱源和 4 個熱源，最佳位置在與平板熱管的中心對稱的位置上。

近年來研究開發(fā)小型電子冷卻用熱板已成為國內(nèi)外熱管界及熱管廠家的一個熱點領域。理論和試驗研究結(jié)果均表明平板熱管具有非常好的傳熱性能。但是, 國內(nèi)在這方面的研究、特別是在徑向平板熱管的研究尚處于起步階段,在國內(nèi)的電子市場上尚未看到有成熟的熱板產(chǎn)品出現(xiàn)。平板熱管的研究和應用還面臨很多挑戰(zhàn)。

( 1) 蒸氣流動和傳熱過程已經(jīng)進行了深入研究, 在蒸氣腔中這些過程耦合液體的流動沒有引起足夠的重視, 熱板的理論模型還停留在一維模型上, 大多為經(jīng)驗公式。還需建立復雜的三維模型。

( 2) 熱管的內(nèi)部結(jié)構還需進一步的優(yōu)化。利用熱力學第二定律來確定 的位置, 進行熵產(chǎn)分析來優(yōu)化系統(tǒng)的性能和效率。優(yōu)化蒸發(fā)面積, 使熱量能夠傳到更大的冷卻面積上。

( 3) 對材料和元件進行熱和受力分析, 改進封裝工藝。

( 4) 依據(jù)熱勢能耗散最小, 分析優(yōu)化熱管的傳熱, 與熵產(chǎn)最小的優(yōu)化結(jié)果進行對比分析; 熱管技術如何與其他領域研究相互配合、協(xié)同發(fā)展, 是微流動系統(tǒng)研究的另一重要挑戰(zhàn)。

( 5) 對多個熱源在平板熱管上的的分布和優(yōu)化是一個嶄新的研究領域。

( 6) 加工制作過程中對熱板的尺寸、形狀、工質(zhì)的充裝量等的精確控制還面臨很大困難。

( 7) 加工費用比較昂貴, 報廢率高, 加工工藝有待完善。

( 8) 熱管結(jié)構的可靠性以及熱管性能能否長時間的保持, 還有待研究。

( 9) 平板熱管用于能量轉(zhuǎn)換是一項很有意義的研究, 有待進一步深入。