微型熱管的研究狀況

1、微型熱管的研究狀況摘要：微型熱管被廣泛用于冷卻航天、航空、軍用武器、車輛、計算機等眾多領(lǐng)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(xiàn)代熱管技術(shù)重要的發(fā)展方向和研究熱點。本文綜述了近年來脈動熱管、微型槽道熱管、環(huán)路熱管和微型振蕩熱管等不同類型微型熱管的研究進展。最后，總結(jié)了微型熱管的發(fā)展趨勢和實際應用所面臨的挑戰(zhàn)。關(guān)鍵詞：微型熱管、脈動熱管、微型槽道熱管、環(huán)路熱管、微型振蕩熱管引言微型熱管是伴隨著微電子技術(shù)的發(fā)展而發(fā)展起來的一門新興技術(shù)。隨著計算機芯片中電路數(shù)目的增加，其產(chǎn)生熱量的散逸變得越來越困難。芯片上除最高溫度的要求外，對溫度的均勻性也有更高的要求，因而電子器件散熱越

2、來越成為電子產(chǎn)品開發(fā)、研制中非常重要的技術(shù)，其散熱性能的好壞直接影響到最終電子產(chǎn)品的成本、可靠性以及工作性能。微型熱管作為一項很有前途的技術(shù)，正可用于電子器件以獲得高的熱量導出率以及溫度的均勻化。1、微型熱管簡介Cotter于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概念，其工作原理與普通熱管相似，但是內(nèi)部無吸液芯，通道截面非圓形并帶有尖角，冷凝液主要依靠尖角處毛細作用的驅(qū)動回流到蒸發(fā)段。微型熱管的通道截面水力半徑明顯小于普通熱管，可與熱管內(nèi)工質(zhì)的氣液彎月面（界面）的曲率半徑相當，一般為10500m，而熱管長度則通常為幾厘米。微型熱管的結(jié)構(gòu)，就經(jīng)歷了從重力型、具有毛細芯的單根熱管

3、型到具有一束平行獨立微槽道的平板熱管型，再到內(nèi)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(jié)構(gòu)尺寸的減小，除毛細極限、沸騰極限等常規(guī)熱管均具有的傳熱極限限制了微型熱管的傳熱能力之外，微型熱管還遇到了常規(guī)熱管所沒有的傳熱極限，比如蒸汽連續(xù)流動極限就限制了微型熱管在低溫狀態(tài)下的工作等。圖1 微型熱管2、脈動熱管脈動熱管是日本的Akachi于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(jié)構(gòu)組成，可分為回路型和開路型兩種，結(jié)構(gòu)如圖2所示。脈動熱管結(jié)構(gòu)簡單，制造方便，成本低廉，性能卓越，已

4、應用于電力設備及微電子的冷卻。圖2脈動熱管結(jié)構(gòu)圖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(nèi)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(zhuǎn)變成環(huán)狀流，此時熱阻更低，傳熱從以顯熱傳熱為主轉(zhuǎn)化為以潛熱傳熱為主。他們用單回路及5回路的玻璃對流型及液態(tài)的轉(zhuǎn)換和對5回路、20回路的銅管進行了實驗，研究了工質(zhì)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對傳熱性能的影響，發(fā)現(xiàn)圓形截面脈動熱管的性能優(yōu)于方形截面。 有學者對加熱方式及充灌率進行了研究。

5、Miyazaki等采用內(nèi)徑1mm、30 個彎頭的銅管，R142b為工質(zhì)，分別以底加熱、水平加熱和頂加熱的方式研究回路型的傳熱特性。結(jié)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。Gik 等采用2mm 內(nèi)徑、10 個彎頭的Taflon 管，R142b為工質(zhì)，熱水加熱冷水冷卻的方式對比研究回路型和開路型結(jié)構(gòu)，結(jié)論是這兩種結(jié)構(gòu)性能相差較大。以R142b 為工質(zhì)，充灌率分別取40% 、60% 、80% 的脈動熱管對筆記本CPU作冷卻實驗，發(fā)現(xiàn)60% 時傳熱性能最佳。 國內(nèi)對脈動熱管的研究開始于2001年。曲偉

6、、馬同澤等在研究工質(zhì)流動的過程中發(fā)現(xiàn)，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。后來他們在實驗中發(fā)現(xiàn)毛細管中液塞運動時，兩端的前進和后退接觸角不同，存在滯后現(xiàn)象，從而產(chǎn)生毛細滯后阻力。工質(zhì)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，曲偉與周巖通過實驗研究了毛細管截面為正方形和正三角形，水力直徑范圍為1mm左右的回路型脈動熱管的傳熱性能。結(jié)果表明，角管脈動熱管的傾角變化時，底加熱明顯優(yōu)于頂加熱，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

7、林等對脈動熱管的結(jié)構(gòu)進行改進，通過合理匹配各通道內(nèi)的流動阻力， 實現(xiàn)工質(zhì)在熱管里的穩(wěn)定單向流動，以改善加熱段的供液情況，提高其傳熱性能，并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(tài)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(huán)路型銅乙醇脈動熱管試驗臺研究充液率，傾斜角度，環(huán)路數(shù)目等因素對脈動熱管傳熱性能的影響。結(jié)果表明：不能形成脈動效應時工質(zhì)的流型是間歇振動，形成脈動效應時工質(zhì)的流型是彈狀流或環(huán)狀流；但環(huán)路數(shù)目較多時，熱阻變化就比較平緩，同時在相同環(huán)路數(shù)目下熱阻隨加熱功率的增加而減少。 國內(nèi)外學者對脈動熱

8、管的研究主要是通過實驗觀察運行的過程和現(xiàn)象，研究管徑、工質(zhì)、加熱方式、充灌率等對其運行和傳熱的影響。由于實驗數(shù)據(jù)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，今后的研究中應完善脈動熱管的數(shù)學理論模型，深入研究其運行規(guī)律，氣液兩相流動型式等與其本身的結(jié)構(gòu)、運行條件等之間的關(guān)系，在實驗中更多地測量各種因素對脈動熱管性能的影響。3、微型槽道熱管20世紀90年代初，美國德克薩斯A&M大學的A.K.Mallik等人和G.P.Peterson等人率先在硅片上集成制作了一系列平行布置的微型槽道熱管。G.P.Peterson等人比較了兩塊分別集成有39個平行矩形微型槽道熱管（寬度

9、和深度分別為45和80）和三角形微型槽道熱管（底部寬度和深度分別為120和80）硅片（大小均為20mm×20mm）的溫度分布和導熱情況，所用工質(zhì)為甲醇。與未集成微熱管的硅片相比，發(fā)現(xiàn)在4W的加熱功率下,以上兩個分別集成有矩形和三角形截面微型熱管硅片的最大溫度分別下降了14.1和24.9，而硅片的有效導熱系數(shù)則分別提高了31和81。B.Badran等人對集成有深度和底寬分別為100和260 平行微型槽道熱管陣列的硅基開展了實驗研究，發(fā)現(xiàn)在較高加熱功率下硅基的有效導熱系數(shù)僅提高了11，明顯低于G.P.Peterson等人所報道的結(jié)果。S.Launay等人對集成有平行布置的微型槽道熱管陣列

10、的硅片進行了傳熱性能實驗研究，熱管的深度和底寬分別為170和230，發(fā)現(xiàn)熱管的充液率為066時，有效導熱系數(shù)的提高也相當有限，他們認為硅片本身的高導熱性能是導致上述結(jié)果的主要原因。通道當量直徑尺寸較小情況下，微型槽道熱管的毛細力對傳熱能力的影響比普通吸液芯熱管更為重要，當加熱功率超過一定范圍、突破毛細極限時，容易造成熱管蒸發(fā)段的干涸，使其傳熱能力顯著下降。對于微型槽道熱管，毛細極限偏低是制約其傳熱能力提高的主要因素，為此S.Kang等人設計了帶有更多尖角的星形和菱形結(jié)構(gòu)槽道微型熱管。由于尖角數(shù)量的增加和微縫隙可以提供更強的毛細動力，使熱管的傳熱能力得到明顯增強，星形和菱形槽道微熱管的最佳導熱系

11、數(shù)可分別達到277.9和289.4W/（m·K）。M.L.Berre等人在硅基上設計制作了如圖3所示的帶冷凝液回流輔助通道的微型槽道熱管，此結(jié)構(gòu)可有效減少氣液兩相反向運動的摩擦阻力，對通道內(nèi)的液相回流具有明顯的輔助和促進作用，提高了回流速度。實驗發(fā)現(xiàn)采用輔助通道后熱管的有效導熱系數(shù)最大可提高3倍，且能夠承受更高的熱負荷。雖然上述星形槽道或輔助回流通道對提高微型槽道熱管的傳熱極限具有明顯作用，但需采用多層硅鍵合技術(shù)，加工相對復雜，成本也較高。最近，W.Liu等人通過在相鄰微型槽道熱管之間添加尺寸更小的微槽道，有效改善了冷凝液由冷端向熱端回流的效果，可使熱管蒸發(fā)段承受更高的熱負荷而不至“

12、燒干”，提高了工作溫度范圍。為了更好地研究微型槽道熱管的溫度分布和工質(zhì)氣液兩相運動的變化情況，M.Lee等人通過微型熱管微加工工藝將微加熱和測溫元件集成于微型槽道熱管之上，系統(tǒng)地研究了其傳熱運行特性。硅基微型槽道熱管因其工作原理簡單、加工技術(shù)成熟，在實驗和理論研究方面都得到了較快發(fā)展，特別是近10年來隨著與之相關(guān)的微通道相變（蒸發(fā)沸騰和冷凝）換熱研究的深入，該技術(shù)日臻完善，很可能作為微型冷卻器率先得到推廣應用。圖3 帶液相主流道的微型三角形槽道熱管陣列截面示意圖4、環(huán)路熱管( LHP)環(huán)路熱管最早由前蘇聯(lián)烏拉爾科技學院Gerasimov和Maydanik于1972年發(fā)明并申請專利。它利用蒸發(fā)器

13、內(nèi)的毛細芯產(chǎn)生的毛細力驅(qū)動回路運行，利用工質(zhì)的蒸發(fā)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，主要應用于空間技術(shù)熱控制。其原理圖如圖4所示。目前微電子散熱成為LHP一個新的應用領(lǐng)域, 成為LHP研究的熱點。圖4 環(huán)路熱管原理圖JentungKu介紹LHP的運行模式，分析了形成的機理。Donald Gluck 等對蒸發(fā)器、液體補償器、冷凝器都處于冷環(huán)境，液體管和蒸汽管處于室溫的LHP的啟動特性進行了研究，發(fā)現(xiàn)LHP在這種冷環(huán)境下成功啟動的幾率很小，尤其對大輸入功率，啟動更為困難。Pastukhov等研制出一種微小型環(huán)路熱管，散熱量25 30W, 在空氣對流冷卻時，

14、系統(tǒng)熱阻1. 7 4. 0e /W，總熱阻最小可達0. 3 1. 2e /W，散熱距離為250mm，該MLHP有L型和S型。L型LHP蒸發(fā)器直徑為5 6mm，在有效傳輸長度200 240mm條件下散熱能力達到80W，最小熱阻為0. 3 0. 5e /W。Tasi等研制了一種小型平板環(huán)路熱管，由蒸發(fā)器、冷凝器和輸送管三部分組成，采用傳統(tǒng)加工工藝在蒸發(fā)器加工微溝槽，采用純水、甲醇、HCFC1416三種不同工質(zhì)作對比實驗。結(jié)果表明，使用工質(zhì)HCFC時的散熱量達50W，溫度低于85e 。Maydanik等研制出一種重量只有1020g以水為工質(zhì)的微小型環(huán)路熱管，傳熱距離300mm，溫度為50 100e

15、時散熱量達100 200W，熱阻在0. 1 0. 2e /W。國內(nèi)許多學者對環(huán)路熱管的性能進行了研究。苗建印等對LHP內(nèi)工質(zhì)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(fā)傳熱能力進行了預測，并結(jié)合實驗研究結(jié)果綜合分析了毛細芯結(jié)構(gòu)對LHP性能的影響。向艷超等分析了液體在LHP蒸發(fā)器毛細芯的兩種蒸發(fā)狀態(tài)（表面蒸發(fā)和汽膜蒸發(fā)狀態(tài)），對液體在LHP蒸發(fā)器毛細芯中的傳熱流動特性進行了一維數(shù)值計算，討論了毛細芯的壁厚，毛細芯的導熱系數(shù)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(fā)器內(nèi)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，并分析

16、了4種不同蒸發(fā)器內(nèi)氣液分布情況下的啟動現(xiàn)象，給出系統(tǒng)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(xiàn)兩種啟動方式的特別現(xiàn)象，對LHP溫度波動現(xiàn)象進行了描述和解釋，并提出冷凝器出口處的溫度波動現(xiàn)象產(chǎn)生的原因是工質(zhì)充裝量和儲液器容量不匹配，可以通過對工質(zhì)充裝量的控制來避免。莫冬傳等通過實驗討論了平板式回路熱管在三種不同情況下啟動的溫度分布，發(fā)現(xiàn)LHP在平放且內(nèi)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(xiàn)了三次溫度相對穩(wěn)定與振蕩的交替，并討論了在相對穩(wěn)定運行時的傳熱特性。環(huán)路熱管作為一種采用兩相流技術(shù)的新型傳熱裝置, 經(jīng)過近30多年的發(fā)展， 技術(shù)已趨于成

17、熟。今后的研究方向應為低溫化及小型帶有平板蒸發(fā)器的LHP。這種微型熱管在集熱板上等溫性和傳熱性能好，重量輕。由于蒸發(fā)器的集熱板是平面的，與儀器設備間的裝配方便，多蒸發(fā)器的LHP也是一種發(fā)展方向。5、微型振蕩熱管振蕩熱管結(jié)構(gòu)簡單，同樣具有微型熱管微型化和集成化的潛力，但其內(nèi)部工質(zhì)振蕩運動所受阻力較其他微型熱管更大，致使長期以來學術(shù)界對其通道尺寸微型化后能否啟動并實現(xiàn)工質(zhì)的有效振蕩運行存在疑慮。雖然M.Sugimoto等人在硅基上制作了一種稱之為返流模式的振蕩流動熱管，但因其通道內(nèi)工質(zhì)的往復振蕩運動是通過集成于底部的兩個往復式壓電泵驅(qū)動來實現(xiàn)的，并非單純由熱驅(qū)動引起的被動式振蕩傳熱，因此嚴格意義上

18、不能稱之為熱管。Y.Lin等人利用制作了一個PDMS振蕩熱管，雖然該熱管的整體尺寸較小，但通道水力直徑超過1mm，屬普通小型振蕩熱管，尚無法歸入微型熱管范疇。最近，JQ.u等人利用濕刻工藝制作了如圖5所示的通道截面為梯形、當量直徑分別為352和394 的微型硅基振蕩熱管，并對其開展了可視化實驗研究，觀察到泡狀流、塞狀流、環(huán)狀半環(huán)狀流、波環(huán)狀流和噴射流等，證明振蕩熱管通道尺寸微型化后仍可快速啟動并實現(xiàn)內(nèi)部工質(zhì)的有效振蕩運行，基本掌握了其相變流動行為特性。同時，JQ.u等人通過實驗研究發(fā)現(xiàn)，微型振蕩熱管能否啟動并正常運行與工質(zhì)種類密切相關(guān)，所選工質(zhì)必須滿足飽和溫度下壓力較高的條件；與未充注工質(zhì)時相

19、比，充注適當工質(zhì)并正常運行的微型振蕩熱管可顯著提高硅基的整體傳熱能力。此外，還發(fā)現(xiàn)了一些不同于常規(guī)振蕩熱管的現(xiàn)象和規(guī)律，如硅基微型振蕩熱管通道尺寸小至一定程度后蒸發(fā)段將難以形成核態(tài)沸騰和工質(zhì)在熱管內(nèi)的自循環(huán)運動，但仍能持續(xù)振蕩運行，由此說明常規(guī)振蕩熱管內(nèi)維持工質(zhì)振蕩運動的氣泡生成、長大、膨脹、縮小乃至湮滅模式并不適用于微型振蕩熱管。這些特殊現(xiàn)象的出現(xiàn)，表明微型振蕩熱管內(nèi)工質(zhì)的相變熱力行為極為復雜，有待深入研究。圖5 硅基微型振蕩熱管6、微型熱管研究所面臨的困難和挑戰(zhàn)理論和實驗研究結(jié)果均表明微型熱管具有非常好的傳熱性能，是冷卻微小型電子器件的理想裝置。但是，隨著近年來微電子技術(shù)的不斷深入發(fā)展，熱

20、流密度的增加，對散熱性能的要求越來越高。微型熱管的研究和應用還面臨著許多的挑戰(zhàn)： 微小型熱管受到連續(xù)極限等的限制外, 還面臨常規(guī)熱管的工作極限。 熱管的內(nèi)部結(jié)構(gòu)還需進一步的優(yōu)化。 微小型熱管的理論模型好多還停留在一維模型上，并早有很多的經(jīng)驗公式。 對熱管溫度分布的理論分析還很缺乏，為了精確的描述溫度分布，還需建立復雜的三維模型。 加工制作過程中對微型熱管的尺寸、形狀、工質(zhì)的充裝量等的精確控制還面臨很大困難。 一些細微結(jié)構(gòu)的加工費用比較昂貴。 熱管結(jié)構(gòu)的可靠性以及熱管性能能否長時間地保持還有待研究。7、微型熱管發(fā)展趨勢微型熱管的發(fā)展趨勢將為：更大的傳熱能力，更小的尺寸，更廣的應用范圍，更高的有效

21、性和可靠性。具體而言，通過開展對微型熱管工作機制的深入研究，加深對微型熱管中兩相流、傳熱傳質(zhì)機制的認識，構(gòu)建不同結(jié)構(gòu)形狀的微型熱管傳熱能力的計算模型，掌握各種參數(shù)對微型熱管傳熱極限的影響，以此指導并開發(fā)出新型高效結(jié)構(gòu)形式的微型熱管，以滿足更廣的應用范圍要求。可以預計，不久的將來，微型熱管不僅在電子設備冷卻上，而且會在空間技術(shù)和生物醫(yī)學等眾多領(lǐng)域發(fā)揮更大、更深遠的作用。參考文獻：1 Khandekar S, Charoensawan P, GrollM, et al. Closed Loop Pulsating H eat Pipes Part B: Visualization and Semi

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