平板熱管工作原理

平板熱管屬于熱管的一種類(lèi)型，并且平板熱管比一般熱管具有更加突出的優(yōu)點(diǎn)，其形狀非常有利于對(duì)集中熱源進(jìn)行熱擴(kuò)散。其工作原理為平板熱管是一個(gè)內(nèi)壁具有毛細(xì)結(jié)構(gòu)的真空腔體，腔體抽成真空并充入工質(zhì)，當(dāng)熱量由熱源傳導(dǎo)至蒸發(fā)區(qū)時(shí)，腔體里面的工質(zhì)在低真空度的環(huán)境中會(huì)開(kāi)始產(chǎn)生液相氣化的現(xiàn)象，此時(shí)工質(zhì)吸收熱能并且體積迅速膨脹，氣相的工質(zhì)會(huì)很快充滿整個(gè)腔體，當(dāng)氣相工質(zhì)接觸到一個(gè)比較冷的區(qū)域時(shí)便會(huì)產(chǎn)生凝結(jié)的現(xiàn)象，從而釋放出在蒸發(fā)時(shí)累積的熱，凝結(jié)后的液相工質(zhì)由于毛細(xì)結(jié)構(gòu)的毛細(xì)吸附作用再回到蒸發(fā)熱源處，此過(guò)程將在腔體內(nèi)周而復(fù)始進(jìn)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(diǎn):

①能有效解決散熱和減小溫度梯度;

②平板熱管通過(guò)降低熱阻而達(dá)到高熱導(dǎo)率，保證熱量快速及時(shí)傳遞;

③用熱管基板代替金屬基板能大大強(qiáng)化基板的熱擴(kuò)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(guó)內(nèi)外熱管界及熱管廠家研究的一個(gè)熱點(diǎn)領(lǐng)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(yīng)用前景,對(duì)其進(jìn)行的研究也在不斷地深入。微型平板熱管雖然結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,但是內(nèi)部發(fā)生的物理過(guò)程十分復(fù)雜,影響熱管傳熱性能的因素也較多。同時(shí),微小型化使得熱管的結(jié)構(gòu)尺寸顯著減小,內(nèi)部物理過(guò)程的機(jī)理更趨于復(fù)雜,存在諸多不同于宏觀情況的地方,進(jìn)一步加大了研究的難度 。

綜述國(guó)內(nèi)外文獻(xiàn)對(duì)平板熱管的研究,主要集中在實(shí)驗(yàn)研究和理論研究?jī)蓚€(gè)方面。實(shí)驗(yàn)研究的難點(diǎn)在于平板熱管實(shí)驗(yàn)件的加工上,微小型化使得傳統(tǒng)的工藝無(wú)法滿足要求,增加了加工難度,同時(shí)加工精度對(duì)實(shí)驗(yàn)測(cè)量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性有非常大的影響。理論研究在分析傳熱機(jī)理和高維度的數(shù)學(xué)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(duì)其進(jìn)行簡(jiǎn)化,從而建立相應(yīng)的數(shù)學(xué)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(duì)裝置的可靠性造成極大威脅。由于高溫導(dǎo)致的失效在所有電子設(shè)備失效中所占的比例大于 50%, 傳熱問(wèn)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(duì)最高溫度的要求外, 對(duì)溫度的均勻性也提出了要求。隨著微電子技術(shù)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(shè)備發(fā)展的主流趨勢(shì)。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(wèn)題顯得格外突出。而平板熱管具有高的熱導(dǎo)率和良好的均溫性，成為解決電子散熱問(wèn)題的很有前途的技術(shù)之一 。

目前國(guó)內(nèi)外的文獻(xiàn)中對(duì)軸向平板熱管研究較多, 徑向平板熱管通過(guò)降低熱量傳遞方向上的熱阻而達(dá)到高的熱傳導(dǎo)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(gòu)靈活、極高的導(dǎo)熱性能等在很多方面都有廣泛的應(yīng)用。目前人們對(duì)平板熱管的傳熱傳質(zhì)機(jī)理仍然缺少深入而準(zhǔn)確的了解, 也沒(méi)有建立起對(duì)平板熱管設(shè)計(jì)的工作極限參數(shù), 更缺少可靠的計(jì)算與設(shè)計(jì)方法。綜述國(guó)內(nèi)外熱板的最新研究成果, 明確下一步的研究趨勢(shì)和進(jìn)展, 對(duì)電子元件冷卻有重要的價(jià)值, 對(duì)于開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)新型熱板有重要意義。

采用傳統(tǒng)加工技術(shù)產(chǎn)量低、代價(jià)高、機(jī)加工費(fèi)時(shí)、報(bào)廢率高，目前用金屬輥壓的方法來(lái)加工梯形槽，鋸切加工矩形槽。這些加工方法的缺點(diǎn)是:毛細(xì)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(guò)金屬焊接或者鍵合等工藝實(shí)現(xiàn)上下基板的粘接。這樣的工藝優(yōu)點(diǎn)在于粘接牢靠、密封性好，但也存在加工難度大、設(shè)備造價(jià)高等問(wèn)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(diǎn)金屬作為焊料，通過(guò)特制模具對(duì)微熱管殼體施加一定壓力，在真空或者保護(hù)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(dá)到微熱管的封裝目的。該方法操作簡(jiǎn)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(fù)雜、壁薄、細(xì)小的鑄件，且鑄件表面光潔、尺寸準(zhǔn)確，給熱管設(shè)計(jì)提供了很大的方便和靈活性。

另外，平板熱管內(nèi)部毛細(xì)芯的制作也是需要解決的關(guān)鍵問(wèn)題。目前制作毛細(xì)結(jié)構(gòu)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(guó))、Fujikura(日本)為平板熱管生產(chǎn)主要領(lǐng)導(dǎo)廠商，其毛細(xì)結(jié)構(gòu)都是以銅粉燒結(jié)方式制作。國(guó)內(nèi)的奇雙、雙鴻、超眾、旭揚(yáng)熱導(dǎo)、鼎沛等公司亦有研發(fā)平板熱管，都是以銅粉燒結(jié)為主。

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

( 1) 燒結(jié)金屬粉末芯: 能提供大的毛細(xì)力, 但在液體流道會(huì)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(xì)力大多不足。傳統(tǒng)工藝要達(dá)到更小的尺寸很困難。

( 3) 絲網(wǎng)屏芯: 流動(dòng)熱阻可以通過(guò)幫扎力度來(lái)控制, 比較靈活。主要缺點(diǎn)是溫度降很大。

C. Gillot 等 計(jì)算發(fā)現(xiàn)槽芯尺寸在蒸發(fā)部分的有效導(dǎo)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(dá)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(yàn)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(gòu)提供支撐來(lái)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(duì)毛細(xì)壓力有負(fù)作用。絲網(wǎng)數(shù) 150 時(shí)達(dá)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?jī)?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(shù)產(chǎn)量低、代價(jià)高、機(jī)加工費(fèi)時(shí)、報(bào)廢率高。目前用金屬輥壓的方法來(lái)加工梯形槽, 鋸切加工矩形槽。這些加工方法的缺點(diǎn)是: 毛細(xì)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(jī)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(duì)熱管設(shè)計(jì)參數(shù)優(yōu)化的報(bào)道文獻(xiàn)很少。吳小平等對(duì)冷凝面積進(jìn)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?yàn)榇笾睆綗峁苣軌蛱峁└蟮恼舭l(fā)面積而導(dǎo)致蒸發(fā)熱阻降低。查閱文獻(xiàn), 我們發(fā)現(xiàn)沒(méi)有統(tǒng)一的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn), 熱板的研究仍然處于實(shí)驗(yàn)室階段, 沒(méi)有成批的生產(chǎn)。余小玲等對(duì)混合封裝電力電子集成模塊優(yōu)化模擬發(fā)現(xiàn), 當(dāng)基板底面等溫時(shí), 模塊的結(jié)殼熱阻最小, 并且芯片之間完全沒(méi)有熱影響。在此設(shè)計(jì)準(zhǔn)則的指導(dǎo)下, 我們?cè)O(shè)計(jì)開(kāi)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(yàn)結(jié)果表明: 平板熱管促使基板等溫性增強(qiáng), 提高了模塊熱擴(kuò)散能力, 有著良好的啟動(dòng)性能和等溫性能。

從不平衡熱力學(xué)最小熵增理論出發(fā), 丁信偉等 對(duì)熱虹吸管內(nèi)的熱力學(xué)特性進(jìn)行了熵增分析的研究, 對(duì)過(guò)程優(yōu)化、減小熱損失有重要作用。對(duì)平板熱沉進(jìn)行了熵產(chǎn)最小的優(yōu)化, 計(jì)算結(jié)果得到了試驗(yàn)驗(yàn)證。下一步要進(jìn)行熱管系統(tǒng)的熵產(chǎn)分析, 利用熵產(chǎn)最小和場(chǎng)協(xié)同原理進(jìn)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。

平板熱管由于其自身的結(jié)構(gòu)特點(diǎn),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(gè)方面 :

熱管可將大量熱量通過(guò)很小的面積遠(yuǎn)距離地傳輸而無(wú)需外加動(dòng)力。平板熱管相當(dāng)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(dāng)熱管穩(wěn)定工作時(shí),加熱段吸收的熱量等于冷卻段放出的熱量。所以通過(guò)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?cái)U(kuò)展到一個(gè)大的散熱區(qū)域,進(jìn)而使整體熱流密度減小。

平板熱管不僅可以在軸向上進(jìn)行傳質(zhì)換熱,還可以進(jìn)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(gè)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(chǎng)合電子元器件的要求,使電子元器件工作效率高。

對(duì)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(xì)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(méi)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(chǎng)合對(duì)熱管的冷凝段和蒸發(fā)段分別進(jìn)行設(shè)計(jì),而且更安全可靠,可以長(zhǎng)期運(yùn)行。平板熱管正是應(yīng)用這一原理對(duì)常規(guī)熱管進(jìn)行改進(jìn),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(wú)需配加鞍座結(jié)構(gòu),降低系統(tǒng)的接觸熱阻,并可應(yīng)用在筆一記本電腦NB、掌上電腦IMPC、機(jī)頂盒STB與多功能行動(dòng)電話等輕薄短小、空間受限及高發(fā)熱密度的電子產(chǎn)品

對(duì)于熱板來(lái)說(shuō), 工質(zhì)從蒸發(fā)端蒸發(fā), 通過(guò)橫截面積比較大的蒸氣腔, 然后到達(dá)冷凝端進(jìn)行冷凝。此時(shí)的蒸氣流速比較低, 因此熱板設(shè)計(jì)時(shí)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(dòng)的壓力損失很小, 因此沸騰限和毛細(xì)限是影響熱板性能的主要因素。毛細(xì)芯中的汽化核心阻礙了液體循環(huán), 會(huì)導(dǎo)致過(guò)高的局部熱流及毛細(xì)限的極大降低和局部熱點(diǎn)的出現(xiàn)。

Krustalev D 等 通過(guò)守恒方程對(duì)微槽平板熱管的最大傳熱能力進(jìn)行了研究, 得到以下幾個(gè)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(guò)熱度。

Cao 等給出了沸騰極限時(shí)的蒸氣的臨界過(guò)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(guān), 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(duì)微槽平板熱管可能出現(xiàn)的沸騰極限進(jìn)行了研究。N.J.Gernert 等研究了多個(gè)分散熱源扁平熱管的性能, 通過(guò)總結(jié)最大液體和蒸氣壓降可以確定所需的毛細(xì)壓降, 從而確定吸液芯的的核心半徑來(lái)提供必須的毛細(xì)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(xì)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(shí)熱管以沸騰極限為主。在有重力輔助的熱管中, 只要?dú)馀菘梢詮恼舭l(fā)段迅速逸出, 真正的沸騰極限實(shí)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(zhǎng)熱管毛細(xì)限是主要的限制因素。

熱源在平板熱管上的布置，對(duì)平板熱管的均溫性及散熱效果具有較大的影響。對(duì)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?yàn)槎酂嵩捶植荚斐刹痪鶆虻臒嶝?fù)荷分布，以往應(yīng)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(duì)多個(gè)熱源在平板熱管上的分布和優(yōu)化是一個(gè)嶄新的研究領(lǐng)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(duì)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(gè)蒸發(fā)段模擬成點(diǎn)熱源，認(rèn)為液體壓降最小時(shí)熱管的傳熱能力最優(yōu)，此時(shí)熱源有最佳的布置方式:對(duì)單熱源，最佳位置在平板熱管的中央; 對(duì)雙熱源和 4 個(gè)熱源，最佳位置在與平板熱管的中心對(duì)稱的位置上。

近年來(lái)研究開(kāi)發(fā)小型電子冷卻用熱板已成為國(guó)內(nèi)外熱管界及熱管廠家的一個(gè)熱點(diǎn)領(lǐng)域。理論和試驗(yàn)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(guó)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(guó)內(nèi)的電子市場(chǎng)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(yīng)用還面臨很多挑戰(zhàn)。

( 1) 蒸氣流動(dòng)和傳熱過(guò)程已經(jīng)進(jìn)行了深入研究, 在蒸氣腔中這些過(guò)程耦合液體的流動(dòng)沒(méi)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(yàn)公式。還需建立復(fù)雜的三維模型。

( 2) 熱管的內(nèi)部結(jié)構(gòu)還需進(jìn)一步的優(yōu)化。利用熱力學(xué)第二定律來(lái)確定 的位置, 進(jìn)行熵產(chǎn)分析來(lái)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(duì)材料和元件進(jìn)行熱和受力分析, 改進(jìn)封裝工藝。

( 4) 依據(jù)熱勢(shì)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(jìn)行對(duì)比分析; 熱管技術(shù)如何與其他領(lǐng)域研究相互配合、協(xié)同發(fā)展, 是微流動(dòng)系統(tǒng)研究的另一重要挑戰(zhàn)。

( 5) 對(duì)多個(gè)熱源在平板熱管上的的分布和優(yōu)化是一個(gè)嶄新的研究領(lǐng)域。

( 6) 加工制作過(guò)程中對(duì)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(fèi)用比較昂貴, 報(bào)廢率高, 加工工藝有待完善。

( 8) 熱管結(jié)構(gòu)的可靠性以及熱管性能能否長(zhǎng)時(shí)間的保持, 還有待研究。

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