平板熱管

平板熱管是指一種平板形狀的熱管，屬於熱管的一種類型，並且平板熱管比一般熱管具有更加突出的優點，其形狀非常有利於對集中熱源進行熱擴散。平板熱管由於質量輕、良好的啟動性和均溫性的優勢, 而成為目前電子元件散熱方面的熱點研究, 在國外已經得到套用。目前國內的研究成果很少。綜述了平板熱管目前國外的主要研究趨勢、結構和加工方法的改進、參數最佳化、內部流動與傳熱的研究、毛細限和沸騰限及對多個熱源冷卻的研究等, 並對這些前沿的研究結論進行概述,指出了下一步的研究趨勢和面臨的主要挑戰。介紹了平板熱管技術的工作原理，加工製作技術、特點、熱源影響以及未來發展展望等。

基本介紹

• 中文名：平板熱管
• 外文名：Flat heat pipe
• 特點：質量輕、良好啟動性和均溫性
• 類型：傳熱元件
• 領域：能源
• 學科：熱力學

簡介

電力電子裝置內部產生的高熱流密度對裝置的可靠性造成極大威脅。由於高溫導致的失效在所有電子設備失效中所占的比例大於 50%, 傳熱問題甚至成為了裝置朝小型化方向發展的瓶頸。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展，電子器件的微型化已經成為現代電子設備發展的主流趨勢。電子器件特徵尺寸不斷減小（如微處理器的特徵尺寸在 1990～2000 年內從 0.35 μm 減小到 0.18 μm）晶片的集成度、封裝密度以及工作頻率不斷提高，這些都使晶片的熱流密度迅速升高。因此電路及其晶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。由於質量輕、結構靈活、極高的導熱性能等在很多方面都有廣泛的套用。目前人們對平板熱管的傳熱傳質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, 更缺少可靠的計算與設計方法。綜述國內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, 對於開發設計新型熱板有重要意義。

平板熱管的研究現狀

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套用前景,對其進行的研究也在不斷地深入。微型平板熱管雖然結構簡單,但是內部發生的物理過程十分複雜,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構尺寸顯著減小,內部物理過程的機理更趨於複雜,存在諸多不同於巨觀情況的地方,進一步加大了研究的難度。

綜述國內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。實驗研究的難點在於平板熱管實驗件的加工上,微小型化使得傳統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據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學建模上存在困難,一般的分析著重於熱管傳熱特性的某一方面,綜合考慮各因素後對其進行簡化,從而建立相應的數學模型得到一些理論分析的結果。

平板熱管工作原理

平板熱管屬於熱管的一種類型，並且平板熱管比一般熱管具有更加突出的優點，其形狀非常有利於對集中熱源進行熱擴散。其工作原理為平板熱管是一個內壁具有毛細結構的真空腔體，腔體抽成真空並充入工質，當熱量由熱源傳導至蒸發區時，腔體裡面的工質在低真空度的環境中會開始產生液相氣化的現象，此時工質吸收熱能並且體積迅速膨脹，氣相的工質會很快充滿整個腔體，當氣相工質接觸到一個比較冷的區域時便會產生凝結的現象，從而釋放出在蒸發時累積的熱，凝結後的液相工質由於毛細結構的毛細吸附作用再回到蒸發熱源處，此過程將在腔體內周而復始進行，如此循環便能帶走模組產生的熱量。

平板熱管與傳統熱管相比具有以下優點：

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於降低熱阻，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外熱管界及熱管廠家研究的一個熱點領域。

加工製作技術

採用傳統加工技術產量低、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芯和金屬網相比不是最小的，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採用分別加工上下基板，然後通過金屬焊接或者鍵合等工藝實現上下基板的粘接。這樣的工藝優點在於粘接牢靠、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，他們採用低熔點金屬作為焊料，通過特製模具對微熱管殼體施加一定壓力，在真空或者保護氣體環境下加溫熔化焊料金屬，再冷卻後，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、連線穩定可靠，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製造槽道式平板熱管。這種方法可以鑄出截面形狀複雜、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，平板熱管內部毛細芯的製作也是需要解決的關鍵問題。目前製作毛細結構的方法主要有：燒結、銅網、溝槽以及金屬薄膜等。其中 Thermacore（美國）、Fujikura（日本）為平板熱管生產主要領導廠商，其毛細結構都是以銅粉燒結方式製作。國內的奇雙、雙鴻、超眾、旭揚熱導、鼎沛等公司亦有研發平板熱管，都是以銅粉燒結為主。

結構的研究

平板熱管按照工質在蒸氣腔內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。常見的芯體結構有 3 種:

( 1) 燒結金屬粉末芯: 能提供大的毛細力, 但在液體流道會出現大的壓降, 其滲透率較差, 其軸向的傳熱能力仍較軸向槽道管芯及幹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。傳統工藝要達到更小的尺寸很困難。

( 3) 絲網屏芯: 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 等計算發現槽芯尺寸在蒸發部分的有效導熱係數很低。軸向槽的大尺寸限制了傳熱, 提出用矽製作熱管槽道, 能達到 10 μm 的槽寬。結果表明: 用矽熱管熱量更均勻, 能使熱阻降低。

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

Liu 等提出在兩層網屏之間用一列平行絲線連線。絲線為內部結構提供支撐來承受內部壓力的變化,輔助流體的返回。結果表明: 屏網的數量對毛細壓力有負作用。絲網數 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。絲網層數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。厚度最佳化比數量最佳化明顯。多層密網芯比單層疏網芯有更大的傳熱能力。採用傳統加工技術產量低、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芯和金屬網相比不是最小的,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製成, 絲布製成矩形屏並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最佳化的報導文獻很少。吳小平等對冷凝面積進行最佳化, 結果為 LeDLc=0.3～0.6, 熱管直徑越大, L 的最佳化比越小。這是因為大直徑熱管能夠提供更大的蒸發麵積而導致蒸發熱阻降低。查閱文獻, 我們發現沒有統一的設計標準, 熱板的研究仍然處於實驗室階段, 沒有成批的生產。余小玲等對混合封裝電力電子集成模組最佳化模擬發現, 當基板底面等溫時, 模組的結殼熱阻最小, 並且晶片之間完全沒有熱影響。在此設計準則的指導下, 我們設計開發了一種用於電力電子集成模組散熱用的小型徑向平板熱管, 將銅基板中心部分做成空腔, 空腔內抽真空, 注入一定容量的工質, 以徑向平板熱管代替銅基板。試驗結果表明: 平板熱管促使基板等溫性增強, 提高了模組熱擴散能力, 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, 丁信偉等對熱虹吸管內的熱力學特性進行了熵增分析的研究, 對過程最佳化、減小熱損失有重要作用。對平板熱沉進行了熵產最小的最佳化, 計算結果得到了試驗驗證。下一步要進行熱管系統的熵產分析, 利用熵產最小和場協同原理進行徑向平板熱管的參數最佳化研究, 提出一種與電子裝置一體化的新型熱管。

平板熱管的特點

平板熱管由於其自身的結構特點,在熱量傳遞中表現出了良好的工作特性,主要體現在以下幾個方面:

高效的導熱性

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。平板熱管相當於多隻熱管排列的散熱元件,但與多隻熱管的排列相比,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[]。

熱流密度的可變性

當熱管穩定工作時,加熱段吸收的熱量等於冷卻段放出的熱量。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域,進而使整體熱流密度減小。

優良的等溫性

平板熱管不僅可以在軸向上進行傳質換熱,還可以進行徑向的傳質換熱,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域的溫差能控制在2℃之內,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。

熱流方向的可逆性

對於一根水平放置或處於失重狀態的有芯熱管,內部循環力是毛細力,只要一端受熱即可作為蒸發段,另一端為冷凝段。而重力熱管則沒有這一特性。

結構適應性

由於熱管的傳熱不受外形的影響,可以根據具體的場合對熱管的冷凝段和蒸發段分別進行設計,而且更安全可靠,可以長期運行。平板熱管正是套用這一原理對常規熱管進行改進,將其與電子器件之間的接觸面做成規整的平面形狀,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構,降低系統的接觸熱阻,並可套用在筆一記本電腦NB、掌上電腦IMPC、機頂盒STB與多功能行動電話等輕薄短小、空間受限及高發熱密度的電子產品

毛細限和沸騰限的研究

對於熱板來說, 工質從蒸發端蒸發, 通過橫截面積比較大的蒸氣腔, 然後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,由於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, 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。

Krustalev D 等通過守恆方程對微槽平板熱管的最大傳熱能力進行了研究, 得到以下幾個結論:

( 1) 單位寬度上槽道數增加, 傳熱係數增大。

( 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) 在某一處是否出現沸騰取決於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。可以知道微型熱管的沸騰極限不僅與熱管的工況有關, 而且還依賴於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乾涸。

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段迅速逸出, 真正的沸騰極限實際上是膜態沸騰極限。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。

熱源的影響

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。對於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，以往套用於單熱源熱管傳熱研究的傳統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最佳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傳熱性能。得到了與田金穎等相似的結果：蒸發器的熱阻對加熱條件並不敏感，即蒸發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 函式將多個蒸發段模擬成點熱源，認為液體壓降最小時熱管的傳熱能力最優，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。

展望

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

( 1) 蒸氣流動和傳熱過程已經進行了深入研究, 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, 大多為經驗公式。還需建立複雜的三維模型。

( 2) 熱管的內部結構還需進一步的最佳化。利用熱力學第二定律來確定 的位置, 進行熵產分析來最佳化系統的性能和效率。最佳化蒸發麵積, 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) 依據熱勢能耗散最小, 分析最佳化熱管的傳熱, 與熵產最小的最佳化結果進行對比分析; 熱管技術如何與其他領域研究相互配合、協同發展, 是微流動系統研究的另一重要挑戰。

( 5) 對多個熱源在平板熱管上的的分布和最佳化是一個嶄新的研究領域。
( 6) 加工製作過程中對熱板的尺寸、形狀、工質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) 平板熱管用於能量轉換是一項很有意義的研究, 有待進一步深入。