[科普中国]-微槽平板热管

简介

近年来，伴随着小型化、高功耗电子元器件散热需求的持续增长，新兴的先进微电子散热技术蓬勃发展。其中，凭借结构紧凑、稳定性好、导热系数高以及均温性好等优势，微槽平板热管，尤其是微型平板热管，已经成为微电子和传热传质领域的研究热点。对于集成电路板、电子芯片、N>O 等平面形状的散热器件应用场合，若采用管状热管，就需要在散热器件和原器件之间增加冷、热板等外接的配合装置。这样不仅增加了传热的热阻，而且会导致热管均温性不好、局部性能下降等问题。在这些场合，小型平板热管具有优势。除了微电子制冷方向，在太空热控制和生物医疗等方面，微型平板热管也具有优势2。

微槽平板热管(是一种利用微小空间内毛细驱动工质蒸发,冷凝相变来实现传热的高效传热器件，主要由密闭容器、毛细结构和工作介质组成，具有结构紧凑、导热性高、恒温性好等基本特性。在普通微槽平板热管基础上，微槽平板热管包括壳体及贴设于壳体内表面的毛细结构，采用槽道互相连通的结构能有效地减少蒸发的工作介质之间的相互影响，从而提升其最大传热量，减少相对热阻，提高传热性能。

平板热管简介平板热管的工作原理平板热管3,顾名思义,从外观上看是平板形状的金属壳体,里面有起毛细作用的吸液芯,在抽真空后注入一定的工质。壳体的一面是蒸发端,通过与电子器件表面接触吸收热量,另一面作为冷却端,把吸收的热量散发到环境中。热板蒸汽腔内的工作过程,工质在蒸发端蒸发后在冷却端冷凝,再通过重力的作用返回到蒸发端。

平板热管的基本特性(1)高导热性

热管在轴向利用了两个换热能力极强的相变传热过程(蒸发和冷凝)和一个阻力极小的流动过程。相变传热只需要极小的温差传递大量的潜热,因而有高导热性。但也存在着传热极限的限制。
(2)热流密度的可变性

当热管稳定工作时,加热段吸收的热量等于冷却段放出的热量,又可以独立改变加热段和冷却段的加热面积,故可改变热流密度。
(3)热流方向的可逆性

对于一根水平放置或处于失重状态的有芯热管,内部循环力是毛细力,只要一端受热即可作为蒸发端,另一端为冷凝端。重力热管无此性能。
(4)热二极管和热开关性能

前者指只允许热流单向流动,如热虹吸管,热只能从下端传到上端。后者则是热源温度高于某一温度时,热管开始工作,否则,热管就不传热。

(5)优良的导温性

平板热管不仅可以在轴向上进行传质换热,还可以进行径向传质换热。这是平板型热管的一个基本特征,通过径向的传质换热使热管的冷凝端的温度梯度减少,分布均匀。

微槽平板热管的结构微槽平板热管的结构如图所示。在金属平板内开出轴向的内腔,在内腔的一侧轴向加工出微型槽道4。两端挡板通过铜焊真空密封,其中一个挡板留有充液孔,通过冷焊管将适量的工质充入具有一定真空度的热管内腔中,然后焊好。槽道上部是连通的蒸汽腔,以减少反向运动的高速蒸汽对液体回流产生的阻力。

微槽平板热管的散热特点热管工作稳定时,整个管内的液体工质在微细槽道内呈一定的分布。

薄液膜蒸发被认为是获得高传热系数或者高热流密度的重要手段,可以极大强化微尺度传热。其表现出来的特征是分子作用力,粘性力和惯性力以及毛细力等共同作用的结果5。

微槽平板热管的散热特点就在于毛细微槽群热沉结构的存在。胡学功脚]指出竖直矩形毛细微槽中存在两种高强度的相变换热机制。一种是较低热负荷下的单一的微槽内三相接触线附近薄液膜区域中薄液膜的高强度蒸发换热机制(纯蒸发模式);另一种是高负荷下(槽内有沸腾现象)的微槽内三相接触线附近薄液膜区域中的薄液膜高强度蒸发和厚液膜区域里的液体核态沸腾的联合换热机制。该结构可以利用毛细力使液体在沿微槽流动的同时,能够在固一液一汽三相接触线附近的扩展弯月面区域内形成具有高强度蒸发能力的薄液膜,从而轻易实现极高热流密度的换热目的。

微槽平板热管的传热极限热管的传热能力虽然很大,但也不可能无限地加大热负荷。事实上有许多因素制约着热管的工作能力。换而言之,热管的传热存在着一系列的传热极限,其中包括声速极限、携带极限、沸腾极限、冷凝极限、连续流动极限以及毛细极限等。这些传热极限与热管的尺寸、形状、工作介质、吸液芯结构和工作温度有关。限制热管传热量的极限类型是由该热管在某工作温度下各传热极限的最小值所决定的。对于微槽平板热管来说,可能遇到的操作极限包括6:

沸腾极限如果径向热流或管壁温度变得非常高,导致毛细结构中液体工质的过热,则工质液体可能产生核态沸腾,产生的气泡将会阻碍工作液体的回流,从而导致沸腾极限。沸腾极限对于微小型热管而言,尤其是工作温度较高时是一个较为重要的极限。但同毛细极限的判别不同,其判别标准则较难划定,多为经验公式。

冷凝极限热管最大传热能力可能受到冷凝段冷却能力的限制,不凝性气体的存在将降低冷凝段的冷却效率。这种极限的发生完全取决于热管的实际工作条件,在理论探讨时往往假设在冷凝段热量可以被完全带走或者不存在不凝性气体,所以该种极限在理论分析中不作讨论。

连续流动极限对于一般热管来说,管内蒸汽流动通常是连续的。然而,随热管尺寸的减少,管内蒸汽可能失去连续流动的特性。在非连续蒸汽流动下热管的传热能力将受到很大的限制,沿热管长度方向将存在着很大的温度梯度,因此,热管将失去其作为高效传热设备的优势。

毛细极限热管中工作介质的循环靠毛细吸液芯结构与工作液体产生的毛细压头维持,由于毛细结构为循环提供的毛细压头是有限的,这将使热管的最大传热量受到限制,这种限制通常称作毛细极限。毛细极限是微小型热管工作中最常遇到同时也是最主要的操作极限,对其进行研究十分必要,可以较为准确地预测出某工况下热管的最大传热能力。

LED微槽群平板热管散热器构成该平板热管散热器包括封闭壳体1、芯体3以及液体工质8。该封闭壳体1的本体是完全密封的,其内部空腔被抽成真空,并且灌入一定量的液体工质8;芯体3是由金属薄片2紧密叠置而成的整体,在安装时,芯体3的外表面与封闭壳体1的内部空腔焊接:。金属薄片2上开设有用于汽化的液体工质8在金属薄片的相邻缝隙之间互相流通的通孔4,芯体3在通孔4的位置上形成贯穿的孔洞。在封闭壳体1的外表面焊设有与金属薄片2相垂直的散热翅片5,散热翅片之间留有冷空气流通的通道3。

优点(1)芯体由紧密叠设的金属薄片构成,在制造时可以将重叠的金属薄片压实,垫片式金属.薄片之间的装配位置可以通过在垫片式金属薄片表面冲制凹凸点实现,然后将其焊接到封闭壳体中,制造工艺相对比较简单。
(2)紧密叠设的金属薄片之间的缝隙形成了微槽群结构,如图所示。相邻的金属薄片的肋6a之间和肋6b之间的缝隙形成了上槽道和下槽道,液体工质能够经过上槽道和下槽道被加速回流,并且这种微槽群结构增加了相变接触面积,从而具备了良好的散热能力。
(3)该新型平板热管散热器采用整体式的芯体作为吸液芯,芯体与封闭壳体之间采用牢固的焊接方式,如图2.6所示,金属薄片2为中空的矩形,通孔4之间的金属实体部分7(即支撑部分)作为芯体的支撑可以使封闭式壳体具备良好的强度和刚性。当壳体内部的气压变化时,由于支撑的作用,可以防止壳体的变形。在液体工质8的流动中,相邻金属薄片的支撑部分7之间的缝隙还可以作为上下槽道的相互流通的通道,这样与用于汽化的液体工质8在金属薄片的相邻缝隙之间互相流通的通孔4一起构成了液体工质8三维方向的流通,从而加速了液体工质8的回流。