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新型平板式微热管在笔记本电脑散热中的应用研究

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新型平板式微热管在笔记本电脑散热中的应用研究

 摘要:随着笔记本电脑的高速发展,电脑元件中单位体积的发热量越来越高,而由于笔记本电脑结构和空间的限制,传统的水冷和风冷技术已无法满足日益增长的散热要求。热管由于其优良的传热性能和等温性能被越来越多的科研人员关注,并广泛应用到笔记本电脑散热系统中。散热系统的效率决定着电脑性能的稳定性,笔者从此问题出发简要分析的热管的工作原理及特点,比在此基础上提出了一种用沟槽代替平板面,以铜丝作为吸液芯的新型平板式微热管,并对其进行了简要分析。

关键词:微热管;笔记本电脑;散热;传热极限

       随着笔记本电脑性能的不断提高,电脑中 CPU 主频也在不断上升,而其对应产生的热量也越来越大,但是笔记本电脑狭窄的空间不能迅速散发 CPU 产生的热量,持续的高温将严重影响电脑运行的稳定性。微型热管是伴随着电子元件的发展而产生的一门新兴技术,自从 1984 年 Cotter提出热管的概念以来,微型热管的结构经历了重力型热管、脉动型热管、微型沟槽型热管,进而发展到利用蒸发器内的毛细芯产生的毛细力驱动回路的环路型热管。本文将着重对新型沟槽式平板微热管进行陈述。

1  热管在笔记本电脑散热中的研究概况

       笔记本电脑中的热量绝大多数来源于电脑微处理器[1],目前由于电子元件集成度的不断提高,计算机芯片中的电路数目也在日益增多。微处理器不但对最高温度有要求,对电脑运行时温度的均匀性有更高的要求,所以电子元件散热器性能的好坏将直接影响电脑的工作性能。最初笔记本电脑中微处理器产生的热量是依靠小风扇进行散热的,但是这种方法效率极低且耗能高。因此,散热问题一直是笔记本电脑发展的技术瓶颈之一。

       在众多的散热技术中,热管技术是 IBM 公司提出的一种很有效的散热技术。热管通过其内部工质的汽液相变来传递热量,具有优良的热传导性性和等温性。而且热管耗能低,安装方便,改变了传统的风冷技术带来的噪音问题。因而具有广阔的发展前景。但是由于热管内部传热机理的复杂性,国内外对热管内部传热极限的研究还处于黑箱状态。只有对其内在机理深入研究,才能更好的发挥其良好的传热特性,才能更好的解决笔记本电脑和其他电子器件的散热问题。

2  热管的工作原理与特点

       传统的热管一般由管壳、传递热量的工质和蒸汽通道组成。根据热管内部工作特点可将热管分为三部分:吸热段(加热段),散热段(冷却段),介于蒸发段和冷凝段之间的绝热段。热管的一端受热时,液体温度上升,并在液面蒸发,直至达到饱和蒸气压,此时热量以潜热的方式传给蒸气,蒸汽在微小的压差下流向另一端放出热量凝结成液体,液体再依靠毛细力沿多孔材料流回蒸发段。如此循环不已,热量由热管的一端传至另一端。

       热管是通过内部液体工质的相变来传递热量的,其传递的热量远比通过辐射、对流或是传导传递的热量多。即它的导热性能比常见的金属材料大得多[2]。

       热管的特点:a.优良的导热性:热管内部热阻很小,因此具有优良的导热性能。当然,高导热性也是相对而言的,由于温差的存在,所以不可能违反热力学第二定律[3],并且热管的传热能力受到各种因素的限制,存在着传热极限。b.杰出的等温性:热管内腔的蒸汽是处于饱和状态,饱和蒸汽的压力决定于饱和温度,饱和蒸汽从蒸发段流向冷凝段时温降很小,因而热管具有优良的等温性。c.适应温度范围广,工作温度可调:在制造热管时,通过选择不同的工作液体和管壳材料,可以使热管适应在 -150~1500°C温度范围内工作。

3  热管的传热极限及新型平板式微热管的提出

       热管的传热性能虽然很高,但也不可能无限地传递热量。在实际使用过程中,存在着许多因素制约着热管的工作能力,例如毛细力、声速、蒸汽粘性力、液体的沸腾等。热管传热量的类型取决于热管在某工作温度下各个传热极限的最小值。如果以热管的工作温度为分析依据,则可得到热管的最大传热能力示意图,如图 1。

1.png

       笔者就针对当前散热市场发展现状,结合自己多年对热管结构的研究,提出一种新型平板式微热管并对其进行结构设计,该热管选用铜丝作为吸液芯结构,铜作为壳体材料,乙醇作为工作介质。其结构如图2。

2.png

       整个热管由装有铜丝的基板、铜丝、隔板及上面带沟槽的盖板四部分组成。铜丝作为吸液芯增大了毛细力,沟槽型盖板可以使传热面积大大增加,气态工质和液态工质的流通通道是完全分开的,避免了气液界面剪切摩擦力的产生。

4  结论

       随着笔记本电脑 CPU 主频的不断提高,  不采用特殊的散热方法就无法保证 CPU 工作的稳定,  人们对 CPU 散热器进行了大量的研究,开发出了多种多样的 CPU 散热器产品。近几年的 CPU 散热器无论在设计、结构、使用效果和严谨性等方面都有了很大的提高。本文提出的一种新型平板式微热管,用沟槽的设计代替平面散热,增大换热面积,提高换热效率。以铜丝作为吸液芯结构,增大了毛细力。对于这种新型的热管具有以下优点:由铜丝形成的槽道尖角区锐利,可以提供较大的毛细力;气、液态工质流通通道是分开的,这样就可以完全避免汽液界面产生摩擦力;铜丝排列在基板上,可以形成较多的槽道。

       就目前来看,热管在 CPU 中的运用还不是很普及。国内目前除能源所、研究院有进行网目式微管技术的研究外,其它厂商大多从事制造网目式或沟槽式微热管制造,其优点包括成本较低、制造容易。然而使用这些形式的毛细结构都无法提供较大的毛细压差,造成微热管在性能上无法提升。而使用铜丝形成毛细结构、沟槽式散热面,其结果可以有效提升微热管的传热、散热性能。

       未来在国内发展这项产品与技术,不仅有助于国内信息、医疗、仪器等产品的升级,利用微热管技术所衍生的相关热管产品如热管散热器、热交换器等可以广泛的应用在各种需要精密温控、散热器的产业中。

参考文献

[1]苏苹.关注笔记本电脑的散热问题[J].普及应用,2000,1.

[2]B. R. Babin, G. P. Peterson, D. Wu. Steady-State Modeling andTesting of a Micro Heat Pipe. Journal of Heat Transfer. 1990, 112:595-601.

[3]施明恒,李鹤元.工程热力学[M].南京:东南大学出版社,1995,9.

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