微槽平板熱管

微槽平板熱管是一種利用微小空間內毛細驅動工質蒸發,冷凝相變來實現傳熱的高效傳熱器件，主要由密閉容器、毛細結構和工作介質組成，具有結構緊湊、導熱性高、恆溫性好等基本特性。在普通微槽平板熱管基礎上，微槽平板熱管包括殼體及貼設於殼體內表面的毛細結構，採用槽道互相連通的結構能有效地減少蒸發的工作介質之間的相互影響，從而提升其最大傳熱量，減少相對熱阻，提高傳熱性能。詳細介紹了微槽平板熱管的結構、散熱特點、傳熱極限，並介紹了LED微槽群平板熱管散熱器。

基本介紹

• 中文名：微槽平板熱管
• 外文名：Micro grooves flat heat pipe
• 別稱：微型平板熱管
• 類型：傳熱元件
• 領域：能源
• 學科：熱力學

簡介

近年來，伴隨著小型化、高功耗電子元器件散熱需求的持續增長，新興的先進微電子散熱技術蓬勃發展。其中，憑藉結構緊湊、穩定性好、導熱係數高以及均溫性好等優勢，微槽平板熱管，尤其是微型平板熱管，已經成為微電子和傳熱傳質領域的研究熱點。對於積體電路板、電子晶片、N>O 等平面形狀的散熱器件套用場合，若採用管狀熱管，就需要在散熱器件和原器件之間增加冷、熱板等外接的配合裝置。這樣不僅增加了傳熱的熱阻，而且會導致熱管均溫性不好、局部性能下降等問題。在這些場合，小型平板熱管具有優勢。除了微電子製冷方向，在太空熱控制和生物醫療等方面，微型平板熱管也具有優勢。

微槽平板熱管(是一種利用微小空間內毛細驅動工質蒸發,冷凝相變來實現傳熱的高效傳熱器件，主要由密閉容器、毛細結構和工作介質組成，具有結構緊湊、導熱性高、恆溫性好等基本特性。在普通微槽平板熱管基礎上，微槽平板熱管包括殼體及貼設於殼體內表面的毛細結構，採用槽道互相連通的結構能有效地減少蒸發的工作介質之間的相互影響，從而提升其最大傳熱量，減少相對熱阻，提高傳熱性能。

平板熱管簡介

平板熱管的工作原理

平板熱管,顧名思義,從外觀上看是平板形狀的金屬殼體,裡面有起毛細作用的吸液芯,在抽真空後注入一定的工質。殼體的一面是蒸發端,通過與電子器件表面接觸吸收熱量,另一面作為冷卻端,把吸收的熱量散發到環境中。熱板蒸汽腔內的工作過程,工質在蒸發端蒸發後在冷卻端冷凝,再通過重力的作用返回到蒸發端。

平板熱管的基本特性

(1)高導熱性

熱管在軸向利用了兩個換熱能力極強的相變傳熱過程(蒸發和冷凝)和一個阻力極小的流動過程。相變傳熱只需要極小的溫差傳遞大量的潛熱,因而有高導熱性。但也存在著傳熱極限的限制。
(2)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,又可以獨立改變加熱段和冷卻段的加熱面積,故可改變熱流密度。
(3)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端,另一端為冷凝端。重力熱管無此性能。
(4)熱二極體和熱開關性能

前者指只允許熱流單向流動,如熱虹吸管,熱只能從下端傳到上端。後者則是熱源溫度高於某一溫度時,熱管開始工作,否則,熱管就不傳熱。

(5)優良的導溫性

平板熱管不僅可以在軸向上進行傳質換熱,還可以進行徑向傳質換熱。這是平板型熱管的一個基本特徵,通過徑向的傳質換熱使熱管的冷凝端的溫度梯度減少,分布均勻。

微槽平板熱管的結構

微槽平板熱管的結構如圖所示。在金屬平板內開出軸向的內腔,在內腔的一側軸向加工出微型槽道。兩端擋板通過銅焊真空密封,其中一個擋板留有充液孔,通過冷焊管將適量的工質充入具有一定真空度的熱管內腔中,然後焊好。槽道上部是連通的蒸汽腔,以減少反向運動的高速蒸汽對液體回流產生的阻力。

微槽平板熱管的結構

微槽平板熱管的散熱特點

熱管工作穩定時,整個管內的液體工質在微細槽道內呈一定的分布。

薄液膜蒸發被認為是獲得高傳熱係數或者高熱流密度的重要手段,可以極大強化微尺度傳熱。其表現出來的特徵是分子作用力,粘性力和慣性力以及毛細力等共同作用的結果。

微槽平板熱管的散熱特點就在於毛細微槽群熱沉結構的存在。胡學功腳]指出豎直矩形毛細微槽中存在兩種高強度的相變換熱機制。一種是較低熱負荷下的單一的微槽內三相接觸線附近薄液膜區域中薄液膜的高強度蒸發換熱機制(純蒸發模式);另一種是高負荷下(槽內有沸騰現象)的微槽內三相接觸線附近薄液膜區域中的薄液膜高強度蒸發和厚液膜區域裡的液體核態沸騰的聯合換熱機制。該結構可以利用毛細力使液體在沿微槽流動的同時,能夠在固一液一汽三相接觸線附近的擴展彎月面區域內形成具有高強度蒸發能力的薄液膜,從而輕易實現極高熱流密度的換熱目的。

微槽平板熱管的傳熱極限

熱管的傳熱能力雖然很大,但也不可能無限地加大熱負荷。事實上有許多因素制約著熱管的工作能力。換而言之,熱管的傳熱存在著一系列的傳熱極限,其中包括聲速極限、攜帶極限、沸騰極限、冷凝極限、連續流動極限以及毛細極限等。這些傳熱極限與熱管的尺寸、形狀、工作介質、吸液芯結構和工作溫度有關。限制熱管傳熱量的極限類型是由該熱管在某工作溫度下各傳熱極限的最小值所決定的。對於微槽平板熱管來說,可能遇到的操作極限包括:

沸騰極限

如果徑向熱流或管壁溫度變得非常高,導致毛細結構中液體工質的過熱,則工質液體可能產生核態沸騰,產生的氣泡將會阻礙工作液體的回流,從而導致沸騰極限。沸騰極限對於微小型熱管而言,尤其是工作溫度較高時是一個較為重要的極限。但同毛細極限的判別不同,其判別標準則較難劃定,多為經驗公式。

冷凝極限

熱管最大傳熱能力可能受到冷凝段冷卻能力的限制,不凝性氣體的存在將降低冷凝段的冷卻效率。這種極限的發生完全取決於熱管的實際工作條件,在理論探討時往往假設在冷凝段熱量可以被完全帶走或者不存在不凝性氣體,所以該種極限在理論分析中不作討論。

連續流動極限

對於一般熱管來說,管內蒸汽流動通常是連續的。然而,隨熱管尺寸的減少,管內蒸汽可能失去連續流動的特性。在非連續蒸汽流動下熱管的傳熱能力將受到很大的限制,沿熱管長度方向將存在著很大的溫度梯度,因此,熱管將失去其作為高效傳熱設備的優勢。

毛細極限

熱管中工作介質的循環靠毛細吸液芯結構與工作液體產生的毛細壓頭維持,由於毛細結構為循環提供的毛細壓頭是有限的,這將使熱管的最大傳熱量受到限制,這種限制通常稱作毛細極限。毛細極限是微小型熱管工作中最常遇到同時也是最主要的操作極限,對其進行研究十分必要,可以較為準確地預測出某工況下熱管的最大傳熱能力。

LED微槽群平板熱管散熱器

構成

該平板熱管散熱器包括封閉殼體1、芯體3以及液體工質8。該封閉殼體1的本體是完全密封的,其內部空腔被抽成真空,並且灌入一定量的液體工質8;芯體3是由金屬薄片2緊密疊置而成的整體,在安裝時,芯體3的外表面與封閉殼體1的內部空腔焊接:。金屬薄片2上開設有用於汽化的液體工質8在金屬薄片的相鄰縫隙之間互相流通的通孔4,芯體3在通孔4的位置上形成貫穿的孔洞。在封閉殼體1的外表面焊設有與金屬薄片2相垂直的散熱翅片5,散熱翅片之間留有冷空氣流通的通道。

LED微槽群平板熱管散熱器

優點

(1)芯體由緊密疊設的金屬薄片構成,在製造時可以將重疊的金屬薄片壓實,墊片式金屬.薄片之間的裝配位置可以通過在墊片式金屬薄片表面沖制凹凸點實現,然後將其焊接到封閉殼體中,製造工藝相對比較簡單。
(2)緊密疊設的金屬薄片之間的縫隙形成了微槽群結構,如圖所示。相鄰的金屬薄片的肋6a之間和肋6b之間的縫隙形成了上槽道和下槽道,液體工質能夠經過上槽道和下槽道被加速回流,並且這種微槽群結構增加了相變接觸面積,從而具備了良好的散熱能力。
(3)該新型平板熱管散熱器採用整體式的芯體作為吸液芯,芯體與封閉殼體之間採用牢固的焊接方式,如圖2.6所示,金屬薄片2為中空的矩形,通孔4之間的金屬實體部分7(即支撐部分)作為芯體的支撐可以使封閉式殼體具備良好的強度和剛性。當殼體內部的氣壓變化時,由於支撐的作用,可以防止殼體的變形。在液體工質8的流動中,相鄰金屬薄片的支撐部分7之間的縫隙還可以作為上下槽道的相互流通的通道,這樣與用於汽化的液體工質8在金屬薄片的相鄰縫隙之間互相流通的通孔4一起構成了液體工質8三維方向的流通,從而加速了液體工質8的回流。