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微型热管的研究分析与发展综述

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摘 要:回顾近些年来国内外学者对微型热管的不同形状尺寸、构造原理、工作环境以及应用等方面的研究,比较分析了微热管在各种不同设计工况下的相关性能。在常见的工作极限研究中发现通过增大毛细力可强化传热性能,进一步了说明毛细极限对微型热管的传热性能影响巨大。通过回顾前人的理论建模和实验研究,着重强调一些目前正在研究的微热管的设计。微热管如今被广泛用于与电子冷却领域,微电子系统中的电子元件被其紧凑微小的结构所限制,需要从有限的空间向外界环境散去额外的热量就必须进行结构优化。最后,简单讨论了微型热管当前面临的挑战,并预测了其发展前景。

关键词:微型热管 ;结构尺寸 ;传热性能 ;工作极限

引言

近年来,随着精密加工和封装技术的快速发展引起了超大规模集成芯片上电子元件的数量和密度急剧增多,这就导致了微电子系统产生的热量随之急剧增加,造成其温度控制也面临严峻挑战,更糟糕的是其均温性极差 [1] 。研究发现21世纪初时,微芯片产生的热量就能够达到100 W/m 2 ,时至今日,其发热量则变得更高。如果不设法实现快速冷却,设备的可靠性和工作性能将受到显著影响甚至毁坏 [2] 。而热管微型化的趋势使其能尽可能近地靠近热表面,从而获得更大的接触面积和更强的毛细力。因此,平板微热管的出现为电子系统冷却提供了理想的解决方案。

随着科技的不断进步,热管的结构如毛细吸液芯和通道的间距等也不断发生着变化。由于电子器件紧凑的设计和尺寸,热管的应用受到了限制。总体来看,相比1984年cotter提出的传统微热管,微型热管拥有更大的蒸发和冷凝区域以及更加复杂的内部构造,因此,平板微热管能够在极小的温度梯度下传递很大的热量,局部热源引起的热量能被很快转移 [3] 。此外,微型热管质量轻、易加工,且在启动阶段至完全启动后都有极为出色的性能表现。鉴于这些优点,近年来微型平板热管发展迅速。

过去几十年,人们进行了许多关于微型平板热管的理论研究、实验测试和数值模拟。人们建立了许多稳态和瞬态的数学模型用来模拟微热管的运行极限和工作特点,测定有效热导率和工作极限,对微热管的设计进行优化。影响工作极限和优化设计的关键因素,以及工质流动的可视化分析,是实验研究的主题。微型平板热管的性能受到各种各样的因素影响,包括微槽结构、毛细力、热流密度、充液率、倾斜角度等。

微热管工作原理

微型热管是在常规热管的基础上发展延伸出的设计,一般来说微热管有以下两种定义 :1984年Cotter [4] 将之定义为热管的水力半径大于或者等于热管中液体弯月面的曲率半径。而Chen [5] 等则将微型热管定义为当Bond数小于或者等于2的热管,Bond数是描述液体重力与表面张力之比的无量纲数,当Bond数不大于2时说明表面张力对液体运动起主导作用。微小型热管由于尺寸很小,一般没有常规热管中的吸液芯结构,而是代之以在热管内壁上刻蚀或者加工出微细槽道作为液体流通的通道,或者直接利用管内壁的尖锐边角区作为工质的流动通道。

微型平板热管是利用腔内液体工质气液相变换热的一种高效传热装置,具有结构密实、质量轻便、热导率高、均温性好等优点 [6] 。通常情况下,微热管工作时液态工质回流的驱动力是由微热管内腔尖角区或微细槽道产生的轴向毛细压差提供,这一压差将液态工质从冷凝段压回到热管的蒸发段,以此实现持续循环流动换热。微型热管的工作原理图如图1所示。

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为了使微型平板热管得到更好的应用效果,研究者们针对不同的工质、不同的基体材料、不同的几何设计进行了各种各样的研究。然而在设计发展更小巧、更高效、更可靠的微型热管的过程中依然存在诸多挑战。不论选择金属材料、高分子材料或者硅板等作为壳体,加工费用依然昂贵,这是目前大力推广使用微型平板热管的一大瓶颈。此外,传热原理,尤其是微热管内部的相变过程和二相流动仍没有彻底被解析。因此,更有效的数学模型和更廉价的制作方法需要被挖掘。

微槽设计的回顾与分析

微热管通常利用毛细芯或者微通道提供毛细力,并将热量转移至冷凝段。通道的设计一般基于外形尺寸、受重力影响的长度和总的热量转移等因素。数学模型对微热管系统进行了本质描述,能够帮助研究各种关键因素对热管性能的影响。由于数学模型的实用性广,能够通过它评估实验结果的准确性,并为模具开发和结构优化提供理论基础。但尽管已经有了很多微型热管相关的数学模型,对微热管的热物性能的研究依旧不够,例如微热管尖角区流体蒸发的本质现象以及蒸发段和冷凝段的质量流量 ;多边形横截面通道能够作为毛细管通道利用尖角为工作液体的流通提供所需的动力,但制作方法会限制通道的几何设计。目前,使用最多的横截面形状为梯形、三角形和矩形截面。在这部分将讨论这些微型平板热管内部设计的研究。

在Cotter提出微热管概念的基础上,Babin [8] 等与1990年研制出梯形微热管的稳态模型并利用Chi [9] 在1976年所提出的描述传统热管稳态模型技术用来预测其最大传热能力。Babin等人的工作由实验和理论研究两部分组成,所设计的梯形微热管长度为57 mm,横截面尺寸为1 mm×1 mm。除了验证微热管的概念,毛细极限的想法也被提出。

Longtin [10] 等于1994年建立一维模型对稳态工况下三角形微热管进行了分析。微热管设计分为蒸发段和冷凝段两部分,考虑了铜-水系统和银-水系统,通道长度在20.48~20.58 mm之间,截面尺寸为100 μm。假设通道内的温度是相同的,考虑到通道轴向液体截面形状的变化,推导出动量方程,并将理论结果与Babin不同截面形状的相似系统进行了比较。分别用显式和隐式时间步长有限差分法,得出了微热管的瞬时效应,以及工作流体的温度分布。微热管长度为144 mm,每个通道尺寸为0.3 mm,共有40个三角形截面的微通道,这些研究涉及单通道的分析。铜-水系统分析结果为 :蒸发段蒸汽的速度分布是线性的,液体的压力损失比蒸汽的要大。瞬时有效导热系数在启动瞬间或者热量进入瞬间突然增大。对于给定的输入热量,冷凝段传热系数的增加会降低微热管的有效导热系数。

Khrustalev和Faghri [11] 在1999年建立了一个数学模型来描述在毛细微槽的热管蒸发器区的稀薄液体通过薄液膜区域的热传递。结合守恒定律和有关毛细压力的Young-Laplace方程,假定液体温度和蒸汽温度相同,利用理想气体状态方程估算了蒸汽在轴向上的温度分布。展开Young-Laplace方程和理想气体状态方程,Sobhan求解了气液两相的连续性方程、动量方程和能量方程,从而得出了三角形截面微热管内气液两相温度的轴向分布。微热管当量导热系数随热流密度的变化如图2所示。

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Peterson [12] 于1995年设计出顶角为30°、宽度为0.38 mm的V角形微热管,从实验和理论两方面分析了微热管中的毛细现象,并得到了微热管在长度方向上弯月面曲率半径的轴向变化。热管以铜作管材,甲醇和乙醇作工质,在上述形状的热管中探索了倾斜角度的变化对毛细现象的影响。

Suman [13] 等研究了带有三角形槽道微热管的传热问题和瞬态性能。他们旨在确定热物理性质变化和设计参数对热管性能的影响。热管材料为硅片,工质为戊烷,热管长度为2~2.5 mm,宽度为0.1~0.2 mm。一系列的微热管研究表明,微槽顶角、倾斜角度、粘性、拐角锐度和热管长度的增加都会削弱微热管的性能,而表面张力和接触角的增加对微热管的性能有积极作用。

Launay [14] 等在2004年研究了铜—水系统的丝网平板微热管,结果表明与空通道阵列相比,丝网结构微热管的有效大热系数增大了1.3倍。建立数学模型分析了流体沿微热管的轴向分布,认为温度场和最大传热量由毛细极限主导。在气液两相守恒方程的基础上建立了稳态水力模型,在壁面与液膜划分网格,通过热阻计算了壁面温度。理论和实验数据一致证明了接触角、流体流态、充液量和边角区的影响。

Suman和他的同事在2005年利用宏观方法,提出了各种几何构造的微热管的一维稳态模型。诸多学者提出截面为矩形和三角形槽道作毛细芯的微热管,并建立一维稳态模型进行了分析和研究,这些模型没有考虑气液界面剪切力的影响。Suman [15] 在动量方程中考虑剪切应力、脱离压力和工质显热后改进上述模型,定量描述了微热管内流体流动的瞬时现象和微槽热管内部的传质过程。

Lefevre [16] 等在2006年考虑了平板微热管内的气液两相流动和固体壁面内的导热,将关于气液两相压力和流速的二维流体动力模型和壁面区域导热的三维模型相耦合,接着将这一模型应用在了带有矩形微槽的平板微热管的数值模拟中。并建立模型预测了矩形槽微热管的热力性能,这一模型考虑了气液界面剪切力、接触角、液体充液率对热管的影响。

Hung [17] 研究了几何设计对星形槽道微热管其热性能的影响。对比了星形槽和正多边形槽微热管,分析和讨论了几何因素对传热性能的影响。

2006年唐琼辉 [18] 等设计出零切角曲面微热管,与在平板上开出三角形槽道、矩形槽道的微热管相比,零切角曲面微热管具有易存液、加工简单、成本低等优点,以热阻为基础,通过实验对不同工质、不同充液率和不同倾角下微热管传热性能进行研究,得出稳态工况下,热沉热阻占微热管总热阻近80%,改进冷凝段冷却方式,降低零切角曲面微热管的热沉热阻,将会极大提高微热管传热性能。

2010年,白敏丽 [19] 等在微槽群平板热管的冷凝段加设翅片通过强化冷凝段与环境之间的换热,提高热管传热性能,通过数值模拟和实验验证比较了不同的翅片高度和翅片间距,得到了使热管散热性能最好的整体结构。

唐吉仁 [20] 等根据微槽热管的最大传热能力主要受制于毛细力的大小,提出了一种液体工质的弯月面曲率半径沿轴向呈阶梯状分布的不等宽V形微槽道结构。通过建立理论模型,得出了不宽等毛细微槽能提供较大毛细力的理论依据。利用ANSYS软件进行了热仿真和FLOTRAN软件进行流体仿真,证明不等宽微槽结构能提供更大的液体回流动力,并在此基础上提出了微型热管的内部槽道结构优化设计。

影响微热管性能的极限因素

在实际应用中制约着微型热管的工作性能的因素有很多。因此在设计微型热管时,一些传热极限应该被考虑到。这些极限因素决定了热管的最大传热能力。然而,为了满足新需求,需要大大提高热管的有效传热系数。例如,微槽热管最主要的热阻来自蒸发薄液膜和冷凝段的热量传递。如上所述,当热通量很高时,单个蒸发薄液膜接触角的增加将增大热阻并直接影响总的有效传热系数。

虽然在微热管内很少的工质液体相变换热就能带走大量的热量,但当热源提供的能量超过热管的传热极限时,微热管的温度将急剧上升,这种现象最先出现在对传统热管的研究中。在某一特定温度下,微热管的最小传热速率决定着约束微型热管运行的各类极限。微型热管的各种工作极限如图3所示。

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(1)黏性极限。热管低温启动时,由于蒸发段和冷凝段的压差不够大,故不足以克服黏滞力使蒸发段产生的蒸汽向冷凝段移动,热力循环无法完成,此即为热管的黏性极限。

(2)声速极限。随着加热温度升高,蒸汽流速持续增大但受限于声速,这一现象主要发生在热管启动阶段。

(3)毛细极限。毛细极限是微小型热管最主要的限制因素,如果毛细力太小就不能够为冷凝工质从冷凝段向蒸发段回流提供足够的驱动力,导致回流液体不足蒸发段干涸,不能满足热力循环持续进行,热管无法正常工作。Cotter指出微型热管的毛细力大小对传热性能的影响比常规热管更重要 [4] 。

(4)携带极限。高速流动的蒸汽会带起微槽内的工质液滴,也会造成蒸发段干涸。

(5)沸腾极限。增加热管蒸发端的热量,毛细结构与热管内壁接触处的液体达到饱和温度,产生沸腾气泡。

研究分析与讨论

通过回顾以往的学者们关于微型平板热管在不同设计条件下的传热性能方面的研究探索,上述建立的数学模型让我们了解到平板微热管的瞬态或稳态性能及各种极限,引导我们优化制造过程从而提高微型热管的工作性能。

针对影响微型热管传热性能的一些因素总结如下:

(1)工质液体的充液率对微型热管内的工质流动和传热特性有重要影响 ;

(2)倾斜角度对微热管尤其是带有轴向沟槽的微热管的工作性能关系密切 ;

(3)微槽尺寸和微热管外观尺寸以及毛细吸液芯的构造类型都会对微型热管的热工性能产生强烈影响 ;

(4)壳体壁面的导热不可忽略,尤其是当工作温度不高的时候 ;

(5)界面区域热阻和蒸汽流动时产生的剪切作用力在微热管总热阻中占主导地位 ;

(6)当表面张力在这种微结构系统中占主导地位时,应该大力重视表面亲水性和润湿性对液体流动及热力性能的影响。

结语

很多电子系统常常产生非常高的热通量,为了保持温度的均匀分布,保证系统的极限工作温度和最佳性能,产生的热量必须被尽快排除。微型热管成为电子元件有效冷却的首要选择,能够实现快速冷却热点对电子器件的冷却具有重大影响和意义。由于微型热管体积小且能在极小温度梯度下驱散大量热量,作为散热器与微型散热系统联合使用逐渐变得越来越流行。这种被动传热设备在微电子领域和各种其他领域被广泛应用。试图将电子器件微小化引起了微热管在各种几何设计上的深入研究,适用于不同的工作环境,利用不同的工作液体材料及各种混合工质 ;同时,如何实现微型热管有效导热系数进一步的增加将成为高热量设备散热的关键,这为制造更简单更高效的平板微热管提供了可能。

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