微型熱管

微型熱管(micro heat pipe,MHP)是一種非常小的熱管，其水利學半徑大於或等於熱管中工質的汽液界面的毛細半徑（其汽液界面的平均曲率在大小與總流道水力學半徑的倒數相當）。常用的微型熱管主要有脈動熱管、微槽平板熱管和環路熱管。微型熱管被廣泛用於冷卻航天、航空、軍用武器、車輛、計算機等眾多領域的電子設備,是有效冷卻高熱流密度電子器件的主要途徑之一，已成為現代熱管技術重要的發展方向和研究熱點。目前對MHP的研究主要集中在管內流動及傳熱、傳質的機制研究,新型高效結構形式的設計，製造工藝技術的改進等方面。較系統地總結近來MHP在理論、設計及製造工藝等方面的技術研究進展,綜述其套用現狀並分析其發展趨勢。

基本介紹

• 中文名：微型熱管
• 外文名：micro heat pipe
• 簡稱：微熱管
• 英文簡稱：MHP
• 領域：能源
• 學科：熱力學

簡介

積體電路向著高密度、大功率方向發展,使得晶片熱流密度提高,散熱空間減小。特別在電子計算機領域,散熱問題嚴重製約著CPU主頻的提高。Cotter於1984年在日本舉行的第五屆國際熱管會議上提出微型熱管的理論和展望,引發了微熱管在電子器件散熱方面的廣泛套用。目前微熱型管存在兩種定義,Cotter和Peterson將其定義為熱管的水利學半徑大於或等於熱管中工質的汽液界面的毛細半徑,而Chen等將其定義為Bond數小於或等於2的熱管。人們對微熱管進行了大量的理論和實驗研究,取得了一系列的研究成果,出現了許多新型微熱管技術。就常見的微熱管如脈動熱管、微槽平板熱管、環路熱管的研究進展分別予以介紹。

自1984年Cotter提出MHP的概念以來，人們對MHP進行了大量的理論和實驗研究,並取得了一系列的研究成果和技術進步。如MHP的結構,就經歷了從重力型、具有毛細芯的單根熱管型到具有一束平行獨立微槽道的平板熱管型,再到內部槽道束通過蒸汽空間相互連通型等一系列變化,其目的就是要更好地為各種小面積、高熱流密度元
器件的散熱提供更有效的手段。但是隨著熱管結構尺寸的減小,除毛細極限、沸騰極限等常規熱管均具有的傳熱極限限制了MHP的傳熱能力之外,MHP還遇到了常規熱管所沒有的傳熱極限,比如蒸汽連續流動極限就限制了MHP在低溫狀態下的工作等。

脈動熱管

脈動熱管是日本的Akachi於20世紀90年代初提出的一種新型熱管,由沒有毛細吸液芯的金屬毛細管彎曲成蛇形結構組成,可分為迴路型和開路型兩種,結構如圖1所示。脈動熱管結構簡單,製造方便,成本低廉,性能卓越,已套用於電力設備及微電子的冷卻。

許多學者對脈動熱管進行了大量的實驗研究。為研究脈動熱管內部運動過程,Khandekar和Groll等學者進行了可視化實驗。在熱流密度增加時,實驗者觀察到氣體上升通道可以轉變成環狀流,此時熱阻更低,傳熱從以顯熱傳熱為主轉化為以潛熱傳熱為主。他們用單迴路及5迴路的玻璃對流型及液態的轉換和對5迴路、20迴路的銅管進行了實驗,研究了工質的種類及充灌率大小、熱負荷大小、傾斜角度等對脈動熱管運行性能的影響。同時,他們通過可視化實驗研究了平板型脈動熱管不同的橫載面積(如方形和園形)對傳熱性能的影響,發現圓形截面脈動熱管的性能優於方形截面。

有學者對加熱方式及充灌率進行了研究。Miyazaki等採用內徑1mm、30個彎頭的銅管,R142b為工質,分別以底加熱、水平加熱和頂加熱的方式研究迴路型的傳熱特性。結果顯示不同的加熱方式對應不同的最佳充灌率,底加熱時充灌率較寬,水平加熱的最佳充灌率為45%~55%,頂加熱時合適的充灌率限制在35%左右。

國內對脈動熱管的研究開始於2001年。曲偉、馬同澤等在研究工質流動的過程中發現,當熱流密度較小時脈動熱管的工作流體將間歇流動,當熱量增加時會改變成單向脈動流動。後來他們在實驗中發現毛細管中液塞運動時,兩端的前進和後退接觸角不同,存在滯後現象,從而產生毛細滯後阻力。工質的流速受毛細管管徑、加熱段的熱流密度、傳遞的功率大小等影響較大,受毛細管長度的影響較小。近期,曲偉與周岩通過實驗研究了毛細管截面為正方形和正三角形,水力直徑範圍為1mm左右的迴路型脈動熱管的傳熱性能。結果表明,角管脈動熱管的傾角變化時,底加熱明顯優於頂加熱,三角形截面脈動熱管的熱阻比正方形截面脈動熱管的熱阻更低,脈動熱管在水力直徑為1.5mm時比1mm時的性能更好。曹小林等對脈動熱管的結構進行改進,通過合理匹配各通道內的流動阻力,實現工質在熱管里的穩定單向流動,以改善加熱段的供液情況,提高其傳熱性能，並指出這種改進型脈動熱管存在最佳的充灌率(50%)和最佳傾角(70b),在這種最佳狀態運行，熱管的傳熱極限最高，在高熱流密度下傳熱熱阻最低。曹小林與王偉等通過建立部分可視化的環路型銅乙醇脈動熱管試驗台研究充液率，傾斜角度，環路數目等因素對脈動熱管傳熱性能的影響。結果表明:不能形成脈動效應時工質的流型是間歇振動，形成脈動效應時工質的流型是彈狀流或環狀流;但環路數目較多時,熱阻變化就比較平緩,同時在相同環路數目下熱阻隨加熱功率的增加而減少。

國內外學者對脈動熱管的研究主要是通過實驗觀察運行的過程和現象,研究管徑、工質、加熱方式、充灌率等對其運行和傳熱的影響。由於實驗數據不夠,理論研究不完善,不能完全明確脈動熱管的運行和傳熱的機理。因此,今後的研究中應完善脈動熱管的數學理論模型,深入研究其運行規律,氣液兩相流動型式等與其本身的結構、運行條件等之間的關係,在實驗中更多地測量各種因素對脈動熱管性能的影響。

微槽平板熱管

微槽平板熱管採用蒸汽槽互相連通的結構,能有效地降低熱管內蒸汽對液體的反向流動所產生的界面摩擦力,從而使其性能明顯提高。近年來微槽平板熱管成為研究的熱點,已廣泛套用於太空的熱控制、功率器件的冷卻及生物醫療等。

Wang和Vafai對平板熱管的導熱性能作了詳細的實驗研究,並建立了預測平板熱管啟動和靈閉特性的數學模型。Avenas等對平板熱管進行了熱阻分析,對兩種吸液芯(燒結吸液芯和槽道吸液芯)作了比較研究。Peterson等人對晶體矽薄板內開出三角形,矩形微細槽道簇的兩個平板熱管進行了對比研究,發現熱管整體導熱係數可以比矽材料提高80%,且三角形的槽道結構更加優越。KrustalevD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。他們分析了液體輸fcp極限和沸騰極限,同時考慮了軸向槽道截面形狀的影響。得出以下結論:

(1)單位寬度上槽道數增加,則傳熱係數增大;

(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等通過實驗研究了兩個銅水熱管,矩形槽道寬為0.1和0.12mm,深為0.25mm。實驗發現,極限的出現由工作溫度決定,工作溫度提高則傳熱能力增大,豎放的熱管比水平放置有更大的傳熱能力,熱管的有效熱導是銅的100倍
。Hopkins等對三種軸向槽道小型平板銅水熱管進行實驗分析,並結合工質的一維流動和能量方程,由槽道幾何形狀和尺寸繪出蒸發段端部的最小彎月面半徑,得到熱管傳熱能力的表達式。Huang等針對毛細芯中工質的流動做了研究。毛細芯中的工質流動採用達西方程求解,在局部加熱冷卻情況下,熱流密度是不均一的,毛細芯不能作為一維模型處理,壓力分布很難確定。採用二維數學模型研究多個分散熱源平板熱管的性能,通過總結最大液體和蒸汽壓降可確定所需的毛細壓降,從而確定吸液芯的核心半徑,提供必需的毛細壓降防止乾涸,對已知的核心半徑,分析有助於確定乾涸的時間和位置,乾涸的位置在毛細壓頭的最大值處。

國內學者對微槽平板熱管也進行了研究。張麗春、馬同澤等對微細矩形槽道結構的不鏽鋼)水銅)水熱管進行了不同的充液率、加熱功率、工作傾角和冷凝段冷卻方式下的對比實驗研究,得到微型熱管的最佳充液率範圍,當量導熱係數和熱管的傳熱能力。對熱管內部的流動和傳熱傳質過程建立模型,分析槽道中液體厚度和彎月面的軸向分布,液體和蒸汽的壓力,汽)液界面彎月面半徑的軸向變化,汽)液界面流動的相互作用及管壁的軸嚮導熱,通過計算得到熱管的外壁面溫度分布和傳熱性能。理論計算和實驗數據基本一致。
范春利、曲偉等通過對三種熱管結構的對比實驗,研究了槽道結構,充液率,工質對微槽平板熱管傳熱性能的影響,得到了深槽平板熱管的最優充液率範圍並證明了深槽平板熱管具有更優良的傳熱性能。曲偉和馬同澤通過對熱管最大傳熱能力的分析,論述了微小型平板熱管運行的影響因素,並提出微型熱管的傳熱極限(如毛細極限,沸騰極限)由一定的條件決定。

目前對微槽平板熱管的傳熱傳質機理仍缺少深入而準確的了解,也沒有建立起工作極限參數,缺少可靠的計算與設計方法。為此,今後應主要研究其傳熱極限,最佳化蒸發麵積,使熱量傳到更大的冷卻面積上,通過確定幾何外形和操作參數對傳熱能力的影響,最佳化熱管的結構設計,並將微槽道和電子元件一體化。

環路熱管(LHP)

環路熱管最早由前蘇聯烏拉爾科技學院Gerasimov和Maydanik於1972年發明並申請專利。它利用蒸發器內的毛細芯產生的毛細力驅動迴路運行,利用工質的蒸發和冷凝,能在小溫差、長距離的情況下傳遞大量的熱量,是一種高效的兩相傳熱裝置,主要套用於空間技術熱控制。目前微電子散熱成為LHP一個新的套用領域,成為LHP研究的熱點。

國內許多學者對環路熱管的性能進行了研究。苗建印等對LHP內工質的流動壓力降進行了分析和計算,對毛細芯所能提供的最大蒸發傳熱能力進行了預測,並結合實驗研究結果綜合分析了毛細芯結構對LHP性能的影響。向艷超等分析了液體在LHP蒸發器毛細芯的兩種蒸髮狀態)表面蒸發和汽膜蒸髮狀態,對液體在LHP蒸發器毛細芯中的傳熱流動特性進行了一維數值計算,討論了毛細芯的壁厚,毛細芯的導熱係數不清,進口液體的過冷度等因素對毛細芯傳熱流動特性的影響。

張紅星等通過實驗研究了蒸發器內氣液分布、反重力工作高度、啟動熱載荷的大小、熱沉溫度等因素對啟動的影響,並分析了4種不同蒸發器內氣液分布情況下的啟動現象,給出系統溫度變化的曲線圖,分析了啟動的難易程度,觀察到反重力啟動時呈現兩種啟動方式的特別現象,對LHP溫度波動現象進行了描述和解釋,並提出冷凝器出口處的溫度波動現象產生的原因是工質充裝量和儲液器容量不匹配,可以通過對工質充裝量的控制來避免。莫
冬傳等通過實驗討論了平板式迴路熱管在三種不同情況下啟動的溫度分布,發現LHP在平放且內部的汽液分布與正常運行時相同的情況下最容易啟動,指出LHP隨加熱功率增大出現了三次溫度相對穩定與振盪的交替,並討論了在相對穩定運行時的傳熱特性。

環路熱管作為一種採用兩相流技術的新型傳熱裝置,經過近30年的發展,技術已趨於成熟。今後的研究方向應為低溫化及小型帶有平板蒸發器的LHP(MLHP)。這種MLHP在集熱板上等溫性和傳熱性能好,重量輕。由於蒸發器的集熱板是平面的,與儀器設備間的裝配方便,多蒸發器的LHP也是一種發展方向。

微型熱管的套用

在電子設備冷卻中的套用

MHP廣泛用於電子設備冷卻中,實際套用較多的是管狀MHP、平板MHP以及MHP陣列。不同結構形式的MHP,其套用範圍有所不同。

管狀MHP作用主要是將熱量從“點熱源”收,然後傳至遠處。其利用方法一般有兩種,一種是把被冷卻元器件直接貼裝在MHP上作為蒸發端的加熱器;另一種是把被冷卻元器件裝在平板上,而將MHP集成製造或嵌入平板內進行散熱。

平板MHP的主要作用有:拉平多排元器件的溫度、冷卻多排元器件和作元器件的安裝平板等。它在冷卻晶片級和印刷電路板(PCB)外掛程式級的裝置中使用較多。從目前對平板MHP的研究情況來看,實驗研究較多,理論分析模型尚未成熟,並且對數學模型中的一些係數的確定也沒有統一。

在其他領域上的套用

新型渦輪葉片冷卻方法將傳統空氣冷卻技術與徑向旋轉微型高溫熱管相結合,冷卻氣體渦輪葉片。證實了這種旋轉MHP的性能和可靠性,實驗結果表明,這種熱管的熱傳導性能很好,是金屬銅導熱率的60～100倍。

目前,美國正在開發一種使用金屬箔片、聚合體材料的MHP,它能植入人腦,通過快速冷卻大腦的一小區域來抑制癲癇病的突然發作。另一項正在進行的研究就是使用皮下注射針頭般大小的管狀MHP,它可在治療溫度允許的變化範圍內保證恆溫,這樣就可以在以前不能治療的身體部位通過升溫處理來治療癌變腫瘤。同時還正在開發可套用於冷卻生物工程反應堆和分離生物材料的MHP。

MHP在冷卻汽車接線盒中的套用,實驗證實使用MHP具有比其他措施更優越的性能。

展望

微熱管作為伴隨微電子技術發展起來的一門新興技術,套用於電子元件散熱中,能提高熱量的導出率,並使溫度均勻化。國內外研究表明,微熱管具有非常好的傳熱性能,可有效地解決高熱流密度元器件的散熱問題。

但微熱管的研究和套用還面臨著許多的挑戰:

(1)除常規熱管具有的傳熱極限(如毛細極限、沸騰極限)外,微熱管還具備特有的傳熱極限如蒸汽連續流動極限等,制約了其傳熱能力;

(2)微熱管的理論模型多為一維模型,使用經驗公式,缺乏溫度分布的理論分析,為此,應能提供不同結構形狀的微熱管傳熱能力的實用可靠的三維數學模型,精確地描述其溫度分布,反映各種參數對其傳熱極限的影響;

(3)熱管的內部結構還需進一步最佳化,利用熱力學第二定律確定熵的位置,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,使熱量能傳到更大的冷卻面積上;

(4)加工製造過程不能精確控制微熱管的尺寸、形狀以及工質的充裝量,加工費用高昂,報廢率高,還需要進一步研究熱管結構的可靠性及熱管性能能否長時間保持的問題。