[科普中国]-微型热管

简介

集成电路向着高密度、大功率方向发展,使得芯片热流密度提高,散热空间减小。特别在电子计算机领域,散热问题严重制约着CPU主频的提高。Cotter于1984年在日本举行的第五届国际热管会议上提出微型热管的理论和展望,引发了微热管在电子器件散热方面的广泛应用。目前微热型管存在两种定义,Cotter和Peterson将其定义为热管的水利学半径大于或等于热管中工质的汽液界面的毛细半径,而Chen等将其定义为Bond数小于或等于2的热管。人们对微热管进行了大量的理论和实验研究,取得了一系列的研究成果,出现了许多新型微热管技术。就常见的微热管如脉动热管、微槽平板热管、环路热管的研究进展分别予以介绍。

自1984年Cotter2提出MHP的概念以来,人们对MHP进行了大量的理论和实验研究,并取得了一系列的研究成果和技术进步。如MHP的结构,就经历了从重力型、具有毛细芯的单根热管型到具有一束平行独立微槽道的平板热管型,再到内部槽道束通过蒸汽空间相互连通型等一系列变化,其目的就是要更好地为各种小面积、高热流密度元
器件的散热提供更有效的手段。但是随着热管结构尺寸的减小,除毛细极限、沸腾极限等常规热管均具有的传热极限限制了MHP的传热能力之外,MHP还遇到了常规热管所没有的传热极限,比如蒸汽连续流动极限就限制了MHP在低温状态下的工作等。

脉动热管脉动热管是日本的Akachi于20世纪90年代初提出的一种新型热管,由没有毛细吸液芯的金属毛细管弯曲成蛇形结构组成,可分为回路型和开路型两种,结构如图1所示。脉动热管结构简单,制造方便,成本低廉,性能卓越,已应用于电力设备及微电子的冷却。

许多学者对脉动热管进行了大量的实验研究。为研究脉动热管内部运动过程,Khandekar和Groll等学者进行了可视化实验3。在热流密度增加时,实验者观察到气体上升通道可以转变成环状流,此时热阻更低,传热从以显热传热为主转化为以潜热传热为主。他们用单回路及5回路的玻璃对流型及液态的转换和对5回路、20回路的铜管进行了实验,研究了工质的种类及充灌率大小、热负荷大小、倾斜角度等对脉动热管运行性能的影响。同时,他们通过可视化实验研究了平板型脉动热管不同的横载面积(如方形和园形)对传热性能的影响,发现圆形截面脉动热管的性能优于方形截面。

有学者对加热方式及充灌率进行了研究。Miyazaki等采用内径1mm、30个弯头的铜管,R142b为工质,分别以底加热、水平加热和顶加热的方式研究回路型的传热特性4。结果显示不同的加热方式对应不同的最佳充灌率,底加热时充灌率较宽,水平加热的最佳充灌率为45%~55%,顶加热时合适的充灌率限制在35%左右。

国内对脉动热管的研究开始于2001年。曲伟、马同泽等在研究工质流动的过程中发现,当热流密度较小时脉动热管的工作流体将间歇流动,当热量增加时会改变成单向脉动流动5。后来他们在实验中发现毛细管中液塞运动时,两端的前进和后退接触角不同,存在滞后现象,从而产生毛细滞后阻力。工质的流速受毛细管管径、加热段的热流密度、传递的功率大小等影响较大,受毛细管长度的影响较小。近期,曲伟与周岩通过实验研究了毛细管截面为正方形和正三角形,水力直径范围为1mm左右的回路型脉动热管的传热性能。结果表明,角管脉动热管的倾角变化时,底加热明显优于顶加热,三角形截面脉动热管的热阻比正方形截面脉动热管的热阻更低,脉动热管在水力直径为1.5mm时比1mm时的性能更好。曹小林等对脉动热管的结构进行改进,通过合理匹配各通道内的流动阻力,实现工质在热管里的稳定单向流动,以改善加热段的供液情况,提高其传热性能,并指出这种改进型脉动热管存在最佳的充灌率(50%)和最佳倾角(70b),在这种最佳状态运行,热管的传热极限最高,在高热流密度下传热热阻最低6。曹小林与王伟等通过建立部分可视化的环路型铜乙醇脉动热管试验台研究充液率,倾斜角度,环路数目等因素对脉动热管传热性能的影响。结果表明:不能形成脉动效应时工质的流型是间歇振动,形成脉动效应时工质的流型是弹状流或环状流;但环路数目较多时,热阻变化就比较平缓,同时在相同环路数目下热阻随加热功率的增加而减少。

国内外学者对脉动热管的研究主要是通过实验观察运行的过程和现象,研究管径、工质、加热方式、充灌率等对其运行和传热的影响。由于实验数据不够,理论研究不完善,不能完全明确脉动热管的运行和传热的机理。因此,今后的研究中应完善脉动热管的数学理论模型,深入研究其运行规律,气液两相流动型式等与其本身的结构、运行条件等之间的关系,在实验中更多地测量各种因素对脉动热管性能的影响。

微槽平板热管微槽平板热管采用蒸汽槽互相连通的结构,能有效地降低热管内蒸汽对液体的反向流动所产生的界面摩擦力,从而使其性能明显提高。近年来微槽平板热管成为研究的热点,已广泛应用于太空的热控制、功率器件的冷却及生物医疗等。

Wang和Vafai对平板热管的导热性能作了详细的实验研究,并建立了预测平板热管启动和灵闭特性的数学模型。Avenas等对平板热管进行了热阻分析,对两种吸液芯(烧结吸液芯和槽道吸液芯)作了比较研究7。Peterson等人对晶体硅薄板内开出三角形,矩形微细槽道簇的两个平板热管进行了对比研究,发现热管整体导热系数可以比硅材料提高80%,且三角形的槽道结构更加优越1。KrustalevD等通过守恒方程对微槽平板热管的最大传热能力进行了研究8。他们分析了液体输fcp极限和沸腾极限,同时考虑了轴向槽道截面形状的影响。得出以下结论:

(1)单位宽度上槽道数增加,则传热系数增大;

(2)从垂直放置的铜水热管传热能力曲线可知热管存在最佳宽度和最佳深度;

(3)在某一处是否出现沸腾取决于此处的弯月面半径和过热度。

Cao等9通过实验研究了两个铜水热管,矩形槽道宽为0.1和0.12mm,深为0.25mm。实验发现,极限的出现由工作温度决定,工作温度提高则传热能力增大,竖放的热管比水平放置有更大的传热能力,热管的有效热导是铜的100倍
。Hopkins等对三种轴向槽道小型平板铜水热管进行实验分析,并结合工质的一维流动和能量方程,由槽道几何形状和尺寸绘出蒸发段端部的最小弯月面半径,得到热管传热能力的表达式。Huang等针对毛细芯中工质的流动做了研究。毛细芯中的工质流动采用达西方程求解,在局部加热冷却情况下,热流密度是不均一的,毛细芯不能作为一维模型处理,压力分布很难确定。采用二维数学模型研究多个分散热源平板热管的性能,通过总结最大液体和蒸汽压降可确定所需的毛细压降,从而确定吸液芯的核心半径,提供必需的毛细压降防止干涸,对已知的核心半径,分析有助于确定干涸的时间和位置,干涸的位置在毛细压头的最大值处。

国内学者对微槽平板热管也进行了研究。张丽春、马同泽等对微细矩形槽道结构的不锈钢)水铜)水热管进行了不同的充液率、加热功率、工作倾角和冷凝段冷却方式下的对比实验研究,得到微型热管的最佳充液率范围,当量导热系数和热管的传热能力10。对热管内部的流动和传热传质过程建立模型,分析槽道中液体厚度和弯月面的轴向分布,液体和蒸汽的压力,汽)液界面弯月面半径的轴向变化,汽)液界面流动的相互作用及管壁的轴向导热,通过计算得到热管的外壁面温度分布和传热性能。理论计算和实验数据基本一致。
范春利、曲伟等通过对三种热管结构的对比实验,研究了槽道结构,充液率,工质对微槽平板热管传热性能的影响,得到了深槽平板热管的最优充液率范围并证明了深槽平板热管具有更优良的传热性能。曲伟和马同泽通过对热管最大传热能力的分析,论述了微小型平板热管运行的影响因素,并提出微型热管的传热极限(如毛细极限,沸腾极限)由一定的条件决定5。

目前对微槽平板热管的传热传质机理仍缺少深入而准确的了解,也没有建立起工作极限参数,缺少可靠的计算与设计方法。为此,今后应主要研究其传热极限,优化蒸发面积,使热量传到更大的冷却面积上,通过确定几何外形和操作参数对传热能力的影响,优化热管的结构设计,并将微槽道和电子元件一体化。

环路热管(LHP)环路热管最早由前苏联乌拉尔科技学院Gerasimov和Maydanik于1972年发明并申请专利。它利用蒸发器内的毛细芯产生的毛细力驱动回路运行,利用工质的蒸发和冷凝,能在小温差、长距离的情况下传递大量的热量,是一种高效的两相传热装置11,主要应用于空间技术热控制。目前微电子散热成为LHP一个新的应用领域,成为LHP研究的热点。

国内许多学者对环路热管的性能进行了研究。苗建印等对LHP内工质的流动压力降进行了分析和计算,对毛细芯所能提供的最大蒸发传热能力进行了预测,并结合实验研究结果综合分析了毛细芯结构对LHP性能的影响。向艳超等分析了液体在LHP蒸发器毛细芯的两种蒸发状态)表面蒸发和汽膜蒸发状态,对液体在LHP蒸发器毛细芯中的传热流动特性进行了一维数值计算,讨论了毛细芯的壁厚,毛细芯的导热系数不清,进口液体的过冷度等因素对毛细芯传热流动特性的影响1。

张红星等1通过实验研究了蒸发器内气液分布、反重力工作高度、启动热载荷的大小、热沉温度等因素对启动的影响,并分析了4种不同蒸发器内气液分布情况下的启动现象,给出系统温度变化的曲线图,分析了启动的难易程度,观察到反重力启动时呈现两种启动方式的特别现象,对LHP温度波动现象进行了描述和解释,并提出冷凝器出口处的温度波动现象产生的原因是工质充装量和储液器容量不匹配,可以通过对工质充装量的控制来避免1。莫
冬传等通过实验讨论了平板式回路热管在三种不同情况下启动的温度分布,发现LHP在平放且内部的汽液分布与正常运行时相同的情况下最容易启动,指出LHP随加热功率增大出现了三次温度相对稳定与振荡的交替,并讨论了在相对稳定运行时的传热特性。

环路热管作为一种采用两相流技术的新型传热装置,经过近30年的发展,技术已趋于成熟。今后的研究方向应为低温化及小型带有平板蒸发器的LHP(MLHP)。这种MLHP在集热板上等温性和传热性能好,重量轻。由于蒸发器的集热板是平面的,与仪器设备间的装配方便,多蒸发器的LHP也是一种发展方向。

微型热管的应用在电子设备冷却中的应用MHP广泛用于电子设备冷却中,实际应用较多的是管状MHP、平板MHP以及MHP阵列。不同结构形式的MHP,其应用范围有所不同9。

管状MHP作用主要是将热量从“点热源”收,然后传至远处。其利用方法一般有两种,一种是把被冷却元器件直接贴装在MHP上作为蒸发端的加热器;另一种是把被冷却元器件装在平板上,而将MHP集成制造或嵌入平板内进行散热。

平板MHP的主要作用有:拉平多排元器件的温度、冷却多排元器件和作元器件的安装平板等。它在冷却芯片级和印刷电路板(PCB)插件级的装置中使用较多。从目前对平板MHP的研究情况来看,实验研究较多,理论分析模型尚未成熟,并且对数学模型中的一些系数的确定也没有统一。

在其他领域上的应用新型涡轮叶片冷却方法将传统空气冷却技术与径向旋转微型高温热管相结合,冷却气体涡轮叶片。证实了这种旋转MHP的性能和可靠性,实验结果表明,这种热管的热传导性能很好,是金属铜导热率的60～100倍。

目前,美国正在开发一种使用金属箔片、聚合体材料的MHP,它能植入人脑,通过快速冷却大脑的一小区域来抑制癫痫病的突然发作。另一项正在进行的研究就是使用皮下注射针头般大小的管状MHP,它可在治疗温度允许的变化范围内保证恒温,这样就可以在以前不能治疗的身体部位通过升温处理来治疗癌变肿瘤。同时还正在开发可应用于冷却生物工程反应堆和分离生物材料的MHP。

MHP在冷却汽车接线盒中的应用,实验证实使用MHP具有比其他措施更优越的性能。

展望微热管作为伴随微电子技术发展起来的一门新兴技术,应用于电子元件散热中,能提高热量的导出率,并使温度均匀化。国内外研究表明,微热管具有非常好的传热性能,可有效地解决高热流密度元器件的散热问题1。

但微热管的研究和应用还面临着许多的挑战:

(1)除常规热管具有的传热极限(如毛细极限、沸腾极限)外,微热管还具备特有的传热极限如蒸汽连续流动极限等,制约了其传热能力;

(2)微热管的理论模型多为一维模型,使用经验公式,缺乏温度分布的理论分析,为此,应能提供不同结构形状的微热管传热能力的实用可靠的三维数学模型,精确地描述其温度分布,反映各种参数对其传热极限的影响;

(3)热管的内部结构还需进一步优化,利用热力学第二定律确定熵的位置,进行熵产分析来优化系统的性能和效率,优化蒸发面积,使热量能传到更大的冷却面积上;

(4)加工制造过程不能精确控制微热管的尺寸、形状以及工质的充装量,加工费用高昂,报废率高,还需要进一步研究热管结构的可靠性及热管性能能否长时间保持的问题。