均温板散热技术研究进展

作者: cnpim CNPIM 04月14日

摘要:均温板作为一种新型的两相流散热技术,具有导热性高、均温性好、热流方向可逆等优点,克服了传统热管接触面积小、热阻大、热流密度不均匀等问题,已经成为解决未来电子工业中高热流密度电子器件散热有效途径之一。本文总结了3种吸液芯种类:微槽道型、烧结粉末型、烧结丝网型,阐述每种毛细芯的制备方法,并比较它们的优缺点;简述了当前国内外对均温板传热传质理论的最新研究进展,学者们利用输运模型沸腾理论捕捉气液界面,确定临界热通量,分析工质在均温板内的流动和传热的规律。本文剖析了影响均温板性能的各个因素,包括流体选择、充液率、热源输入功率大小和分布位置、工作角度等。最后从背景环境角度对均温板的应用方向进行了分析和展望。

关键词:均温板;两相流;传热;传质;超薄

近年来,电子元件越来越呈现出微型化和高功耗的发展趋势,如何解决电子元件因高发热量而导致性能下降的问题引起了人们的广泛关注。其中,热管两相冷却设备因相变产生较大的热导率而成为高效的传热器件。伴随着热管散热技术应用领域的持续扩展,人们已经根据一些特殊场合要求制造出了多种异形热管,如脉动热管、环路热管 (LHP)、毛细泵抽吸两相回路热管(CPL)以及各种微热管。

由于许多设备的表面是平面,为满足此类设备的散热需求,1969 年,Sheppard首先设计出一种用矩形断面的热管来冷却集成电路的底板,在此研究基础上,Feldman 提出了均温板,将吸液芯结构化,使得工质在吸液芯提供的毛细压头作用下能够实现在密闭空间的循环流动,获得了美国专利局的专利授权。随后,均温板被广泛应用于微电子器件、空间热控制等领域。

均温板由密闭容器、毛细结构和工作流体组成,为保证均温板具有高效的换热性能,通常外壳采用热导率较高的材料,内壁四周附着吸液芯,为满足耐压需求,一些均温板内部设计有实心柱、烧结柱或在实心柱外表面附着吸液芯形成烧结环,如图1所示。



图1 均温板的工作原理

当均温板底部施加热量时,液体随热量增加而蒸发,蒸汽上升到容器顶部产生冷凝,依靠吸液芯回流到蒸发面形成循环。均温板相比于传统热管轴向尺寸大大缩短,减小了工质流动阻力损失以及轴向热阻。同时径向尺寸有所增加,显著增加了蒸发面和冷凝面的面积,具有较小的扩散热阻和较高的均温性。这种特殊结构提高了均温板的散热能力,使得被冷却的电子设备可靠性增加,为解决有限空间内高热流下的均温性问题提供了新的解决思路。

目前,均温板已经应用在一些高性能商用和军用电子器件上,随着加工技术的发展,均温板朝着越来越薄的方向发展。受扁平均温板内狭小空间的限制,微型吸液芯的结构及制备方法、蒸发冷凝及工质输运机理等较普通热管有所不同,例如:

①传统热管沸腾和凝结不存在相互干扰,而在均温板中沸腾和凝结发生在相距 1~2mm 的蒸发面和冷凝面上,气泡的行为受到了有限空间的限制,导致传热特征发生了变化;②传统热管截面为圆形,强度较高,而均温板截面为扁平形状,强度较低。为满足耐压需求,在均温板内部一般设计有一定数量的烧结环或烧结柱,可以同时将上下毛细芯连接在一起,缩短回流路径,加快循环过程,很大程度上提高均温板的传热性能;③热管的压力损失主要包括吸液芯结构层中与管道中的流动压力损失和重力损失。

而均温板厚度远小于其宽度,因此工质在厚度方向吸液芯结构层中的流动压力损失和重力损失可忽略。

本文结合国内外研究资料对均温板关键部件吸液芯的结构以及制备方法、均温板理论计算模型、均温板性能影响因素 (包括工作流体、充液率、热源分布及工作角度) 进行综述分析,并对其发展与应用进行展望。

01 吸液芯结构及性能

均温板依靠内部的吸液芯结构提供凝结液回流的动力,该结构影响了临界热流和热性能。与热管相比,均温板尺寸较小,要达到较小沟槽尺寸以及较高的填粉要求比较困难,对此学者们不断优化制备工艺。为使之有更好的换热特性,新型的微型吸液芯结构不断被开发出来,同时对吸液芯进行表面处理,显著加强了均温板的综合性能。

常见的吸液芯结构主要有 3 种:微槽道型、烧结粉末型、烧结丝网型。微槽道型是在均温板壁面加工出沟槽作为回流通道,减小流动阻力,但制备工艺复杂,成本较高;烧结丝网型是将丝网烧结在板的内壁,丝网的孔隙可以控制,具有结构简单、制造方便、成本低廉等优点,缺点是网层间及丝网与管壁之间有间隙而导致热阻较大,由于超薄均温板中的吸液芯是以丝网型为主的,该结构将放在第4节超薄均温板中一并介绍;烧结粉末型是将金属粉末直接烧结在板的内壁,能提供较大的毛细力,应用范围最广且技术也最成熟,但缺点是渗透性较差。

1.1 微槽吸液芯

沟槽吸液芯是在均温板内壁加工各种形状的沟槽制作而成的,利用槽道界面张力的作用使液相工作介质回流而实现吸液芯的功能。而微槽吸液芯的制备是一个技术难点,但近年来取得了较大进展。

何艳丽等利用扩散焊分层实体制造技术获得变形小、可一次焊接成形的深窄槽。槽道宽度为0.4mm,试验过程在加热功率为 40W、水平放置、加热过程伴随风冷的试验条件下,其最大有效热导率能达2552.2W/(m·K)。陈亮等利用飞秒激光加工法,获得了质量良好、槽宽50?m且深宽比达5.4的微槽。根据飞秒激光光束的光斑特性,通过调节峰值能量控制焦点附近的激光强度,对飞秒激光的加工区域进行精确控制,使其加工尺寸突破衍射极限成为可能,为微尺度器件的超精细加工提供了可行性。随着微槽吸液芯制备技术的发展,学者们制备出了各类形状的微槽,常见的微槽如图2所示。



图2 常见的微槽结构

为了解决微槽吸液芯毛细极限较小导致传热受限的问题,在常见微槽基础上又发展出了许多新型的结构。Hung等设计了星形槽道吸液芯,如图3所示,并比较星形槽道和三角形槽道的几何参数,如截面形状、角顶角尖锐度、角数、截面面积和总长度对热管性能的影响。



图3 星形槽道和三角形槽道

Bahmanabadi 等对新型径向矩形槽和径向倾斜三角形槽进行热阻研究,如图4所示,发现沟槽可以通过诱导旋转运动来增强换热。相同换热面积的径向矩形槽面和径向倾斜三角形槽面平均热阻比光滑表面分别提高 22.9% 和36.13%。



图4 径向矩形槽和径向倾斜三角形槽

Li等将圆盘分成一系列相同的扇形区,在自然分支现象的启发下,开发了一种新的生长模型,如图5所示,随着毛细管压力增大,温度梯度更加均匀,然而此结构加工十分关键,作者所在团队通过化学蚀刻无法形成具有深窄特征的微通道,最终加工深度仅为 0.16~0.24mm,极大地限制了均温板的性能。最后选用泡沫铜作为吸液芯结构,利用激光雕刻和模具压印来形成分形结构。Liu 等研究了在不同分形角度下均温板的性能,当角度接近45°时,均温板的热阻较小。



图5 自然分支微槽结构

1.2 烧结粉末

烧结金属粉末多孔材料具有质量轻、毛细力大、比表面积大、耐热耐腐蚀等优点,其孔隙率和孔径大小及分布主要受粉末粒度、形貌和制造工艺的影响。目前大量生产使用的粉末吸液芯原材料主要有铜、镍、铝、不锈钢等,可以根据不同工况对材料进行选择。

烧结粉末作为传统的吸液芯结构,在热管和均温板中都有广泛的应用。其制造工艺在不断优化,尤其是直接影响毛细吸液芯结构质量的填粉工艺。填粉设备逐渐向精确化、自动化方向改进,其中包括对振动参数的研究、粉体定量填充的研究以及振动填粉设备的研究。对于烧结工艺,控制烧结的时间和温度十分关键。王小鹰研究得到随着烧结温度的升高,孔隙率、平均孔径及渗透率都显著下降,收缩率增大。烧结时间小于30min时,随着烧结时间的延长,孔隙率、平均孔径及渗透率显著降低。继续延长烧结时间,孔隙率及渗透率下降趋势变缓,而毛细压力随着烧结时间的延长先增加后降低。

对于单孔隙烧结毛细芯,烧结粉末的颗粒直径、孔隙度、烧结层厚度等对均温板的热阻都具有较大的影响。黄豆研究了铜粉种类对吸液芯毛细性能的影响,发现在平均粒径相同时,不规则状铜粉吸液芯烧结后的孔隙率远大于球形铜粉吸液芯。而吸液芯的毛细性能与吸液芯的收缩率没有直接的关系,毛细性能主要受吸液芯的孔隙率、渗透率和毛细压力(有效毛细半径)的影响。

李红传等根据仿生学原理,以天鹅绒竹芋为设计依据,构建了锥形毛细芯均温板,两种锥形结构如图6所示。锥形毛细芯结构经氧化处理后,总热阻在不同加热功率下均有一定程度的降低,最小值可达0.079K/W。



图6 两种锥形结构

除了单孔隙吸液芯,目前已有多种不同粒径、不同材料混合的多孔径吸液芯被提出,特别是双孔径芯,其流动和传热性能优异,在均温板中得到了广泛应用。双孔芯中既有大孔也有小孔,小孔径提供大的毛细泵送力,大孔径减小工作流体在多孔芯内的流动阻力,增加蒸发面积,有利于蒸汽的排出。

铜粉和镍粉常作为双层梯度孔吸液芯的原材料,在镍层中添加一定量的造孔剂以增加吸液芯内工质流动通道,同时采用松装烧结无压成型法,依靠粉末自身相互搭架而形成孔洞,获得的制品孔隙率较高。造孔剂比例和粒径对其连接强度、线收缩率、孔隙率和毛细抽吸性能有很大影响。

Wang等将球状和枝状的不同金属粉末制成多孔芯,如图7所示,研究了两种粉末的混合比以及造孔剂的粒径和体积比对多孔芯的影响。两种金属粉末的混合比对临界热负荷和蒸发器壁温有显著影响,当球状镍粉和枝状铜粉的混合比达到 3∶7 时,造孔剂颗粒直径为 30~45?m,孔隙率为 40% 时能达到最高临界热负荷 530W。



图7 镍铜复合多孔吸液芯的SEM图

莫冬传等从几何尺寸梯度和润湿性梯度两个方面出发将微米、纳米结构结合开发出多层梯度结构多孔表面来强化沸腾换热,且将单层的树林状梯度结构 (可以认为是形成了很多相互贯通的 Ω 形槽道) 应用于超薄均温板中,取得了优异的均温效果及传热性能。

表1对文中提及的槽道和烧结粉末吸液芯的优缺点进行了总结。

表1 吸液芯结构分类及其优缺点


1.3 复合吸液芯

以上介绍的吸液芯结构特点各异。微槽的渗透性很好但毛细力却较小,烧结粉末毛细力很大而其渗透性却较差。复合吸液芯可以结合各类吸液芯的优点达到整体最优,如多层丝网复合、丝网与粉末复合、粉末与沟槽复合等。

Chen等提出了一种多层复合细网吸液芯,该复合细网吸液芯由粗网和细网不同的层组组合而成,可以提高吸液芯的吸湿性能,从而进一步提高均温板的热性能。通过毛细上升率实验,对其吸液能力进行了评价,结果表明,与多层单网格吸液芯结构相比,多层不同结构的丝网吸液芯性能显著提高。由3层100目和3层300目组成的吸液芯,其最佳体积流速达 14.44mm3/s,平衡吸液芯高度达55.98mm。

Niu 等以铜粉和铜丝网为主要原料制备了复合吸液芯,研究铜粉粒径、铜粉体积比、超亲水处理对毛细性能的影响。结果表明,铜粉体积比是影响毛细性能效果的最显著因素。此外,对于超亲水性处理后的吸液芯,较小的铜粉颗粒具有较高的渗透性和较好的综合性能。

Wiriyasart 等研究了微槽表面涂覆多孔烧结芯的均温板,并与无多孔烧结芯的均温板进行比较。结果表明,微槽内具有多孔烧结芯均温板的热工性能比不具有多孔烧结芯的均温板最高可提高20%。

02 均温板理论模型

2.1 均温板基础理论

随着均温板的快速发展,均温板的基础理论研究有了很大的进展。均温板中沸腾和凝结发生在相距较近的蒸发面和冷凝面上,张广孟认为由于均温板中沸腾和凝结相互影响,两种热管中的经典传热模型,即基于对流类比得到的Rohsenow换热关系式以及包含压力、壁面粗糙度等众多因素的Cooper经验关系式都不再适用于均温板。提出了新的热流密度计算式,包含了气泡脱离频率、液滴的滴落频率、单位面积气泡数量以及液面距冷凝面的距离等众多参数,与实验结果对比吻合较好。

当充液率较大时,均温板内部液面与凝结表面不断地接触形成不连续的“液桥/液膜”等现象。考虑到液桥表面向周围气体的蒸发会影响液桥的稳定性,Harimi等提出了一种预测液桥蒸发速率的新模型。在此基础上,结合杨氏拉普拉斯方程,计算了蒸发过程中液桥的体积、形状和毛细管压力。模型预测值与蒸发液桥实验数据接近,验证了模型开发过程中所做的假设和方法的可靠性。该模型用数学表达式描述了液桥体积、液桥长度和液桥接触角对蒸发速率的影响,研究结果有助于更好地理解多孔介质的气液传输。

Nguyen等采用基于平行平面间杨氏拉普拉斯方程的精确解析解和毛细管力测量相结合的方法,研究了表面粗糙度对液桥毛细特性的影响,结果表明,随着粗糙度的增大,润湿角增大,而液桥的毛细力减小。

对于热阻网络,传统上在等面积换热条件下进行均匀加热的热管系统中通常进行一维热阻分析。但对于非均匀加热,如从局部热点到较大表面的传热,或通过急剧变化的面积的情况,一维方法不足以准确预测系统的热性能。

目前开发出的二维方法考虑扩散热阻计算整个系统的热阻网络,更适用于均温板,热阻计算误差可达10%及更小。均温板的总传热热阻对厚度变化非常敏感,存在一个临界均温板厚度,且随着厚度的减小,总传热热阻先是缓慢增大,在厚度减小至临界值以后,总传热热阻快速升高。

2.2 均温板数值仿真

目前研究认为和热管一样均温板内部最大热阻还是在蒸发和冷凝的液膜区域。蒸发段内毛细结构表面形成的弯月面曲率半径大小直接影响驱动工质循环的毛细驱动力。因此,建立薄液膜区和宏观半月板区域的传热传质模型十分重要。

Avramenko等建立了一种新的液体薄膜毛细管不稳定性二维模型,基于边界层理论和平衡方程在静止蒸汽条件下求解蒸发的无扰动速度分量和薄膜厚度。李聪在气液界面邻近的计算网格单元中添加质量源来模拟工质蒸发及冷凝产生的传质过程,利用开源软件Surface Evolver 基于梯度下降法计算得到表面自由能达到最小时对应的液膜形态。

为了更精确地捕捉耦合热输运、气液界面的相变以及蒸发引起的压力增加,Patankar 等提出三维均温板输运模型,采用稳态算法求解物理瞬态行为。Vadakkan等考虑多热源的影响,准确预测均温板中达到传热极限的位置,从而优化离散热源间距。当均温板中的工质完全蒸发,均温板会失效,因此准确预测临界热通量对均温板长期稳定运行十分重要。

液体强烈蒸发引起平行流动、界面不稳定和垂直壁面方向Helmholtz 不稳定的共同作用使得均温板达到临界热通量。Huang 等提出了新的临界热通量计算模型,包含三个子模型预测模型:计算两相流参数分离流模型,计算平行流动蒸汽波临界波长的界面不稳定模型以及垂直于壁面的临界波长 Helmholtz 不稳定模型。该模型在各种操作条件如速度和重力的影响下的平均绝对误差为15.36%。

许多学者对具有不同吸液芯结构的理论预测模型进行了研究。Wang 等提出了一种简化的数值模型,研究了烧结粉末吸液芯中孔隙结构和粉末粒径对均温板性能的影响。结果表明,吸液芯孔隙率对均温板性能的影响大于粉末。

Fang等采用孔隙尺度的三维 lattice Boltzmann 模型和传热模型相结合的方法分别研究了凹槽型和微柱型两种类型吸液芯的瞬态行为,结果表明,对于凹槽型吸液芯,梯形的凹槽产生的毛细管驱动力最大,其次为直角型,倒梯形最小。对于微柱型吸液芯,减小蒸发段柱距和增大冷凝段柱距都可以提高热管的毛细极限。

丹聃等采用扩散受限聚集模型对多孔毛细芯进行三维重构,并用有限容积法对模型在稳态导热条件下的传热性能进行了数值计算,研究表明毛细芯有效热导率随孔隙率的增大呈减小趋势,且在颗粒直径越小的情况下变化越显著。

另外,为减小热阻,常对毛细芯进行表面处理,毛细芯的颗粒表面生成一层纳米级结构,使粗糙度增加,来提高亲水性。其中受粗糙度影响的毛细压力和渗透率在决定薄膜厚度分布和传热中起重要作用。当毛细压力的作用在两者中更为明显时,纳米级表面粗糙度会导致一个更平坦的蒸发弯月面轮廓,并促进蒸发。然而,当渗透率对薄膜蒸发的影响更明显时,纳米级表面粗糙度会抑制蒸发。

综上所述,均温板有限空间内的蒸发冷凝相互影响,因此需要对其机理进行深入研究。基于二维热阻网络计算均温板内部的温度分布预测精度更高,适用范围更广。均温板散热的理论研究多为数学建模,毛细结构表面形成的弯月面曲率半径大小直接影响驱动工质循环的毛细驱动力,结合毛细理论研究相变界面蒸发传热模型成为了研究的热点。

近年来学者们利用输运模型沸腾理论捕捉气液界面,确定临界热通量,分析工质在均温板内的流动和传热的规律,运用三维 lattice Boltzmann 模型、扩散受限聚集模型、孔隙尺度等理论模型对不同结构吸液芯的性能进行预测,总结了均温板厚度、多孔吸液芯中颗粒直径及孔隙率、烧结柱直径及距离的影响,深入研究吸液芯结构表面处理后粗糙度对薄膜厚度的影响机制。

表2总结了以上文献中的研究目标、特点及公式。通过表2可知,目前研究者普遍认可建立薄膜区的传热传质模型十分重要,然而目前的仿真结果与实验数据还存在较大差异,因此需要不断完善理论模型深入研究均温板的传热机理,才能更精确预测均温板的速度、压力与温度的分布。

表2 均温板数值仿真研究总结


03 均温板性能影响因素及相关实验

3.1 工作流体

工作流体的选择需要考虑吸液芯和基板材料的兼容性、热稳定性、润湿性、高潜热、高导热性、高表面张力等因素。此外,均温板操作温度和压力限制也十分重要。热管的应用环境不同,根据温区可分为低温、常温、高温热管,工作流体的选用范围较广。均温板主要用于电子设备内部芯片散热,属于常温热管,常使用水、甲醇、乙醇、丙酮以及
纳米流体等。

Kim 等将大小为 138mm×90mm×4mm 且槽道吸液芯上带有0.5mm微孔涂层的铝制均温板应用于锂离子电池的热管理。比较丙酮与HRE-7100两种工质得到:热负荷在 20W 以内,工质为丙酮的均温板热性能均优于工质为HFE-7100的均温板。其中当热负荷为 15W 时,使用丙酮均温板的平均热阻为0.118K/W,使用 HFE-7100 的平均热阻为0.406K/W,约为丙酮的 3.4 倍。工作流体的潜热、沸点、表面张力等物性都对均温板的传热性能十分重要,但又因流体的各种物性不同,很难对特定的均温板做出选择。

Patankar 等提供了一种新的方法,以热阻最小为设计目标,提出了传热系数与两个流体特性值 (MI表示液体特性,Mv表示蒸汽特性) 之间的简化分析关系。在给定一组超薄均温板几何参数和操作参数下通过此关系式选择合适的工作流体,发现在相对较高的功率下选择高MI流体,较低的功率下则选择高 Mv流体;在均温板厚度较大时选择高 Mv流体,均温板厚度较小时则选择高MI流体。

设计均温板时还需要工作液体能够润湿管芯和管壳材料,即接触角非常小。Savino 等对水进行了测试,通过可视化研究发现蒸汽沿温度较高的一侧移动;还测试了一种表面张力随温度升高而增加的自润湿液体 (长链醇类),发现蒸汽将沿温度较低的一侧流动。通过对水和长链醇两种溶液的实验,证实了与纯水相比,自润湿流体的蒸发区含有更多的液体,可以自发地向温度较高的区域供应液体,有利于沸腾传热。

随着纳米技术和热工技术的发展,利用纳米流体强化传热的研究越来越受到重视。Kim等以氧化铝纳米流体为工作流体对半径为 5mm 圆盘形均温板进行实验,结果表明,氧化铝纳米流体的温度分布比去离子水纳米流体的温度分布更加均匀,且随着纳米流体的体积分数增加,多孔介质可以更有效地传播热源的热量。

Pandiyaraj 等制备了尺寸为60mm×60mm×30mm 的均温板,使用二氧化钛纳米流体为工作流体,在强制对流的条件下进行实验。结果表明在输入功率达到 80W 时,热阻显著减小,且随着输入功率的增加,热阻逐渐增大,并稳定在0.25K/W。

纳米流体通过有效地改善表面的亲水性、接触角和成核位点数,以达到强化换热的目的:①纳米流体热导率随着浓度的增加而增加,临界热流密度也会随之增加。但当纳米流体浓度超过适宜浓度时,纳米颗粒聚集堵塞成核位点,致使不易成核,甚至恶化沸腾换热。②纳米流体的接触角与湿润性有着非常重要的联系,一般情况下接触角会随着纳米流体质量分数的增大而减小,从而增加表面的湿润性,延缓蒸发表面的干燥,进而强化纳米流体沸腾换热。

3.2 充液率

充液率一般定义为工作流体占均温板内部空间总容积的百分比,但在部分文献也被定义为工作流体占均温板总体积的百分比。由于均温板内部容积较小,目前研究更朝着超薄均温板发展,定义不同会导致实际充液量有较大差别,因此对于充液率定义的规范化十分必要。

Li等测试了水在不同充液率下均温板的热性能,结果表明,在热流密度为 80W/cm2的条件下,具有烧结泡沫铜吸液芯的均温板在充液率为95%时达到最小热阻0.152K/W,具有三层丝网吸液芯的均温板在填充率为 90% 时达到最小热阻 0.171K/W。

Wang 等研究了一个集成的均温板,得出在相同热负荷下,热阻随充液率的变化而变化,充液率为60% 的均温板热阻最低,热阻曲线先下降后上升。然而,对于均温板不同结构与充液率之间的关系,目前的研究还较少。Wiriyasart 等研究了十个不同结构均温板在不同的流体充液率下的热阻,讨论微通道宽度和烧结柱数量对充液率的影响,结果发现微通道宽度和烧结柱数量对最佳充液率几乎没有影响,最佳充液率在 20%~35% 之间。与无微通道的均温板相比,有通道的均温板最佳充液率更小。

大量文献表明,最小热阻对应的最佳充液率与操作功率、散热器的几何形状和材料类型、均温板内部的结构等有很大关联。然而对于特定的均温板总是存在一个最佳的充液率。从微观的角度解释,充液率较低时,蒸发与冷凝之间保持较高的独立性,相互影响程度较弱;充液率较高时,气泡脱离频率降低、凝结和沸腾换热强度均受到了一定程度的抑制;而当充液率处于一个中间水平范围时,气泡的破裂促使蒸发面与液体工质之间发生强烈的对流换热,促进了沸腾换热。同时气泡破裂对液面的扰动导致冷凝液膜厚度减薄,强化了冷凝换热能力。

3.3 热源

随着电子产品功率的不断提高,电子设备上存在多个热点,均温板相当于多只热管并联在一起,但与后者相比,其降低了并联热管之间的接触热阻,同时受热点位置和大小影响较小,因而具有更好的传热效率。

简弃非等采用双层丝网芯的超薄平板热管,通过可视化实验测试不同充液率和热输入功率下的热阻变化,得出在 35% 的充液率下,最佳热负荷为 20W。Velardo 等在加热功率分别为 20W、30W、40W 下,对大小为 123mm×140mm×3mm 的铜-水均温板进行扩散热阻测量,结果表明,在所试验的热源面积下铜-水均温板的热阻与铜散热器相比较小,且热阻随着热源面积的增大而减小。在加热功率为 40W、热源面积为 12.25cm2时热阻最小,有效热导率最大,为 2400W/(m·K)。

而 Wong等对大小为 100mm×80mm×1.3mm 均温板的热性能进行测试发现,加热面积越小,临界热流密度越大,热阻越小。且在加热功率为240W时,热源面积为 1.21cm2时,热阻最小达到 0.14K/W。作者认为蒸发吸液芯中心的膜层厚度最小,单位面积上的蒸发热阻最小,同时较小的加热面积有更强的侧向热扩散效应。

热源的位置分布是影响均温板‘’均温性的重要因素。Ranjan对大小为30mm×30mm×3mm且具有中心热源的均温板进行了仿真模拟,得到温度分布如图 8 所示,温差范围为 1.92K。王梦妍将大小为140mm×90mm×3.3mm 均温板应用于芯片的散热,并对具有不同功率芯片的横向间距和纵向间距进行正交实验。结果得到最松散布置和最紧凑布置下均温板组件的自热阻和耦合热阻均小于铜基板组件,从最松散布置调整为最紧凑布置后,均温板组件热阻上涨幅度比铜基板组件更小。这说明用均温板来替代铜基板能够在一定程度上提高整个多热源组件的传热性能,除此之外,均温板多热源组件比铜基板多热源组件的响应速度更快且均温性能更好。



图8 均温板内部的温度分布

相比加热面积和加热位置,加热功率对均温板性能影响的研究较多,分析可得到热管的蒸发段传热主要依靠薄膜蒸发,当热负荷较小时并未进入核态沸腾状态,这就会在蒸发段聚集较多的液体工质,阻碍蒸气的溢出和蒸气向冷凝面的移动,使得热管的整体热阻增大。随着热负荷增大,当蒸发面的蒸发速度和冷凝面的冷凝回流速度处于平衡状态时,热阻最小,传热性能达到最佳。当热负荷进一步增大时,蒸发速度会超过冷凝回流速度,蒸发面的液体不断气化而得不到补充,部分区域会出现烧干现象,热管的传热性能恶化,热阻增大。

加热功率大小与充液率大小对均温板热阻有很大的影响,在今后的研究中,可将它们综合考虑。不同情况下热源面积对均温板的影响大有不同,研究认为均温板的热阻主要由蒸发热阻、冷凝热阻和流动热阻构成。冷凝热阻的影响一般较小,可忽略考虑。热源面积较小时,蒸发热阻较大,随着流体温度上升,蒸气密度增大,黏度减小,蒸气压力损失也随之减小,从而导致流动阻力减小。不同均温板中,热源面积的大小对蒸发热阻和流动热阻的影响程度不同,因此可能得到相反的结论。由于均温板具有较小的扩散热阻,即使在不均匀的热源分布下也依旧保持良好的均温性,帮助解决热点问题。但在实际中热源分开布置有利于减小最高温度与温差,增大临界热通量,应尽可能采用对称布置。

3.4 工作角度

工作角度的选择可以作为提升均温板性能的另一种措施。当角度适合时,能够改善均温板的传热性能。Huang 等对大小为 100mm×15mm×1mm 的丝网型均温板进行实验,得出在水平状态、重力状态、反重力状态、侧放状态和倒置状态下的最大热负荷能力分别为7.58W、9.06W、6.33W、7.33W和7.58W。与水平状态相比,重力状态的最大热负荷功率增加了 1.48W,反重力状态减少了 1.25W。

Zeng等比较了大小为90mm×90mm×1.5mm的带凹槽铝制均温板水平位置和不同倾斜位置的热响应时间,发现水平位置比垂直位置短。在倾斜方向时,均温板的热性能略有提高。垂直方向的热阻最大,如图9所示。



图9 均温板不同倾角的放置

总结文献发现,液体从冷凝器回流到蒸发器有两种典型的路径,即路径 1 为在毛细压力的驱动下,液体水平流动,直到到达最近的烧结柱,并转移到蒸发器,再到达加热面;路径2为一些凝结物液滴在重力作用下被直接输送到蒸发器,再到达加热面。在倾斜位置,路径1的长度保持不变。虽然路径2上半部分路径缩短了,但下半部分路径延长了。考虑到均温板良好的毛细管性能,认为液体仍然可以在倾斜位置通过吸液芯有效输送。因此,在低倾斜角条件下,减小路径长度加速气液循环使得均温板热性能甚至比重力方向的更好。在垂直位置,没有重力的帮助下液滴直接输运,路径2的长度急剧增加,气液循环在垂直位置恶化。此外,当上半部分干燥时,液体往往在底部积聚,使液体更难补充到加热区域。

近年来,学者们通过大量的实验研究验证理论模型,不断优化均温板的结构,考虑各个因素的影响,然而对于各个因素多目标优化的研究较少,在后续的研究中可以加强此方面的探索,进一步优化均温板的性能。表3是对文献中采用不同吸液芯材料的均温板散热性能的对比。从表3可以看出,铜为最常用的吸液芯原材料,水为最常用的工作流体。吸液芯结构和工作流体的选择都会对热阻产生重大的影响。均温板可承受较大的热负荷,临界热流密度可达 800W/cm2及以上。由于均温板工作流体、吸液芯结构、输入热流密度各不相同,客观评价各类均温板的散热效果优劣十分困难。但与传统热管相比,不可否认,均温板存在着巨大的优势。

表3 均温板实验研究总结


04 超薄均温板

随着电子设备的高度集成、更轻、更薄,有限的空间大大限制了热控制元件的尺寸,目前正朝着超薄均温板的方向发展。超薄均温板定义为总厚度小于2.0mm的微型均温板。其厚度很薄,可以紧密地贴合在电子元件的表面,特别适用于超薄便携式电子设备的散热,如智能手机、笔记本和智能手表等,具有高均温性,能消除在此类设备中产生的局部热点。然而,不同的电子设备要求超薄均温板具有不同的厚度和传热能力。用于笔记本电脑和平板电脑的超薄均温板的厚度分别为 1.2mm 和0.8~1.2mm,其传热能力应大于 20W。此外,对于智能手机或智能手表而言,超薄均温板的厚度为0.4~0.6mm,传热能力为5W以上。由于加工困难以及在较小尺度下减小均温板厚度会急剧降低均温板的性能,目前超薄均温板的最薄厚度限制在0.3mm以上。

与传统热管不同,超薄均温板由压扁工艺造成上下层吸液芯的互相挤压,吸液芯的孔隙率更小,多孔材料内部更不容易形成核态沸腾。同时又由于孔隙率较小,超薄均温板的工质灌注量较小,所以影响其主要传热极限的是毛细极限而不是沸腾极限。毛细极限与吸液芯结构紧密相关,对于超薄均温板,烧结粉末层较厚,压扁会导致裂纹。微槽吸液芯是通过高速旋转成形工艺制造,随着管壁厚度的减小,该方法也不能满足超薄均温板加工的要求。而烧结丝网由于其形状易改变而结构不被破坏的特点,常用于制造超薄均温板。表4总结了丝网型超薄均温板的厚度、吸液芯、制备工艺及其热性能。

表4 丝网型超薄均温板总结


唐恒开发出一种全新的螺旋带状结构的铜编织丝网作为超薄均温板的吸液芯结构,通过编织机顺向相互交错编织而成,由未压扁前的点接触改善成压扁后的面接触,能减少接触热阻而增大毛细力,有利于吸液芯的轴向传热。Huang 等将单层粗铜网和两层细铜网烧结在一起作为吸液芯,实验研究了粗网目数和细网目数对1.5mm超薄均温板传热性能的影响。结果表明,在 50W 时热阻为0.197K/W,约为1.5mm铜片的4.4倍。

但是将丝网相互对折或通过多层叠加的方法达到所需的吸液芯厚度,操作较为繁琐、制备效率低。目前除了通过改变丝网层数和网格直径,还通过表面处理提高了丝网结构的表面亲水性,丝网大多由金属材料制成,由于表面光滑,亲水性较差。表面氧化、化学腐蚀和电化学去位等表面处理可以在表面形成微/纳米结构形貌,提高其亲水性,从而提高芯结构的性能。

刘昌泉等研制了一种内部吸液芯是多孔介质底层和多孔介质丝组成的多尺度复合结构的新型超薄均温板,其总厚度为1.30mm。经过化学改性处理分析纳米结构、充液比以及角度对热性能的影响。结果表明,充液比为25% 时,改性热管的临界热通量提高了 255%,总热阻最大可降低 43.2%。Lyu 等对具有超亲水性烧结铜网的超薄平板热管进行试验,吸液芯结构如图10 所示。结果表明平板热管能承受 490W/cm2而不发生干燥,最小热阻为0.039K·cm2/W。



图10 微纳米尺度超亲水铜网

经典理论通常忽略两相界面上由于气液反流而引起的附加压降,而超薄均温板的极限除了与上述的毛细力有关,还与气液反流摩擦压降直接相关,所以无法忽略。对此,Huang 等提出了通道系数(Sv) 的概念,此系数与蒸气摩擦系数和液体摩擦系数有关,当均温板厚度小于0.3mm时,随着均温板厚度和宽度的减小,Sv迅速增大,导致传热能力恶化。均温板的支撑形式对蒸气压降的影响也很大,减小支撑柱的直径和间距是减小蒸气压降的一种好方法,顺序排列比交叉排列具有更小的压降。

Zhou等则是研究了气液通道面积比对超薄热管传热性能的影响,通过改变吸液芯的宽度来调节气液通道面积比,得出最佳气液通道面积比为67.28%。液体通道面积较小时,可储液量较小,蒸发段易发生干燥现象,导致换热效率下降。此外,管内蒸气高速运动时,会产生气液反流现象,影响气液循环的平衡,降低热性能。当蒸气通道面积过小时,管内蒸气流动阻力增大,气液循环速度减缓,降低热性能。由此可以得出,通过优化超薄均温板的内部结构可以调节气液流动方向减少摩擦,从而改善传热性能。

超薄均温板应用在实际的散热场合时,空间狭小,需要对超薄均温板的形状做出相应的改变。吴国强等比较超薄平板在弯折角度为 90°、135°、和竖直时的性能差异。弯折角度对有效热导率有显著影响,在加热功率为 80W 时,竖直情况下的有效热导率为 12.6kW/(m·K),是 90°热管的 2.3 倍,135°超薄均温板性能介于两者之间。Oshman 等设计并制造了一种平面柔性聚合物热管,采用多层聚合物组成的商用薄膜作为外壳材料,发现弯折后的超薄热管对传热性能影响不大。

综上所述,随着厚度的减小,超薄均温板的最大换热能力大大降低。除了通过对吸液芯进行表面处理优化传热性能外,还可以优化超薄均温板的内部结构,重新分配气液通道的体积,调节气液流动方向减少摩擦,从而改善传热性能。此外,目前柔性超薄均温板壳体材料一般为聚合物,其导热性低于金属材料,因此开发出具有高导热性能的壳体材料十分关键。

05 均温板制备工艺

均温板的制备包括壳板制造、清洗、吸液芯填充、焊接、检漏、抽真空、充液等。其中各类吸液芯的制备在第 1 节中已做介绍,这里不再赘述。封装过程是制造均温板的关键步骤,封装不当会导致均温板在运行过程中温度分布不均匀,还会导致工作液的泄漏,直接影响均温板的传热性能和使用寿命。目前常用的焊接方式有扩散焊接和激光焊接。

Ryoson 等制作了沟槽式和丝网复合的铜制均温板,通过扩散焊接黏结成型,发现当输入功率为 63W 时,此类均温板的热导率高达 10000W/(m·K)。由于均温板工作时内部蒸气压力较大,陈杰凌利用冷压焊对封口进行一次焊接后又采用激光焊接工艺对形成的封口进行二次焊接,提高封口的可靠性、耐腐蚀性。

均温板对于真空度的要求非常高,如果抽真空不充分,残余的不凝性气体会堵塞在冷凝段,导致均温板无法正常运行。目前,热管抽真空注液主要有灌注热排气抽真空技术和真空泵抽真空灌注技术两种方法,灌注热排气法在工业上比较常用,该方法在实施过程中需要专业的操作。真空泵抽真空灌注方法可以精确控制工质的充液量,且能保证热管抽出很高的真空度,应用广泛。

Li等在灌注封口工艺完成之后对热管进行二次抽真空,利用工质沸腾蒸发后产生的蒸气压力将不凝性气体驱赶至平板热管的顶部,达到进一步去除管内不凝性气体的目的。结果表明第二次抽真空后,冷凝器的热阻小于0.09K/W,比第一次抽真空后的0.16K/W小得多。

超薄均温板由于超薄的壳体,其封装过程比传统的均温板更为复杂。目前工业生产的超薄均温板有两种封装形式:一种是传统的圆柱形热管压扁使均温板内部具有微通道,挤压成型的管材清洁程度高,无需清洗,节省了制造成本;另一种是通过焊接将两个带芯结构的薄片连接在一起。超薄的外壳在焊接过程中更容易烧穿或黏结不良,超薄均温板的压扁技术比焊接技术更有效、更灵活,更适合工业化制造。然而压扁工艺主要成形缺陷是塑性变形过程中的表面坍塌现象。该现象不仅压缩了超薄均温板本来就很小的蒸气通道,增大了工质的流动阻力,而且严重降低了均温板的表面平整度,在实际应用中无法与热源或热沉保持良好接触,加大了表面接触热阻,从而降低了均温板的传热性能。

对此Li等提出了相变压扁工艺,压扁过程中工作流体的温度对热管内压有显著影响,内部压力决定了扁平管的截面轮廓。随着温度的升高,坍塌变小,最终消失,有效防止均温板横向压缩过程中的弯曲变形,但该方法制造工艺相对繁琐,难以实现量化生产。

Huang 等设计了一种基板厚度仅为0.15mm 铜均温板,在 860℃下烧结 1h 后强度下降
明显,且表面易于压缩。为避免超薄壳体坍塌,采用一种新的焊接工艺,利用锡膏设备对壳的焊接部位进行定量涂敷。将上下板固定在 640℃下加热15min,用还原气体保护其不被氧化,最后用氮气在 8min 内迅速冷却至室温。结果表明,采用这种方法焊接的超薄均温板能够承受压缩。

封装工艺是制造均温板的关键环节,直接影响着传热性能和使用寿命。虽然我国现代焊接技术越来越成熟,能够有效地提高均温板传热性能,但在实际焊接中容易使构架出现裂纹。裂纹主要受温度影响,如冷裂纹多发于焊缝冷却阶段,因此还需要不断对焊接技术进行优化和创新。对于超薄均温板,传统的圆柱形热管压扁技术和黏接封装技术都存在一定的缺陷,极大地限制了其应用和发展,新封装工艺需要解决壳体坍塌问题。

06 结语

均温板是具有高导热性和低热阻的高效器件,从文献中可以看出,许多研究都集中在降低热阻、改善传热极限、获得更高的热通量和均温性能。在过去二十年里,均温板的理论、实验和数值仿真研究取得了显著进展。均温板作为高效的传热设备,被广泛地应用在高功率LED发光二极管、废热回收、太阳能集热器、电池热管理等,由于均温板满足轻量化、高性能、高可靠性的要求,且能在零重力环境中运行,未来有望广泛应用到空间电子设备的冷却中。因此,为了更好地理解均温板的传热机制,还需要从以下几个方面进行深入研究。

(1)需要建立更完善的理论模型,特别是均温板内存在沸腾-凝结共存的相变换热现象。在这样的系统中,存在着复杂的沸腾-凝结-导热耦合关系,三种传热过程相互作用,相互影响,互为制约。忽略他们之间的差别必然会带来很大的误差和不确定性。
(2)创新吸液芯的结构,同时加强微纳米梯度结构表面改性优化传热的机理研究,对热源、工作角度、充液率等因素进行多目标优化,降低均温板的整体热阻,提高均温板的性能。
(3)对于超薄均温板中的坍塌机理需要更深入的研究,针对相变压扁封装工艺进行适当的优化和改善以实现量化生产。同时优化超薄均温板的内部结构,调节气液流动方向减少摩擦,从而改善传热性能。

参考文献 略
原文信息
万晓琪, 崔晓钰, 谢荣建. 均温板散热技术研究进展[J]. 化工进展, 2022, 41(2): 554-568.
DOI:10.16085/j.issn.1000-6613.2021-0706


声明:文章来源于网络,仅用于学习和技术交流,如有侵权或其他问题,请联系本站处理。

技术支持:粉末注射成型网