纖維吸液芯平板微熱管理論分析與驗證

纖維吸液芯平板微熱管理論分析與驗證+沈英東+姚藝+劉健+祖曉東+韓天

摘 ?要：設計了一種纖維吸液芯結構平板微熱管，利用纖維緊密排列間隙形成微型熱管工作流道。對該微熱管進行了理論分析建模，建立了質量方程、動量方程和能量方程等。對模型進行了仿真運算，對比了最大傳熱量與實測結果，從而得出纖維吸液芯微熱管的最大傳熱量。

關鍵詞：微熱管;纖維吸液芯;理論模型;最大傳熱量

中圖分類號：TK172 ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A ? ? ? ? ? ? ? DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2015.14.089

微型平板熱管就是一種按功能外形特征來命名的傳熱器件，其高導熱、低熱損失的優點可以有效解決常見大型集成電路的熱量流失問題，對增強芯片的穩定性和延長使用時間至關重要。當微熱管的提法誕生之后，微型熱管得到了不斷的演變和發展，性能和特性都得到了充分的發展。與傳統的單根微熱管和微熱管陣列相比，平板式微熱管的優勢更加明顯，主要體現在連通蒸汽腔更大、減緩對其的阻力和充分提升傳熱效率。

1 ?纖維吸液芯平板微熱管結構設計

纖維吸液芯平板微熱管的結構設計比較簡單，就是通過圓柱形纖維緊密排列在纖維間隙所形成區域中的一種微型熱管，上下極板沒多大差別，唯一的差別在于上極板在槽體的結構上多了四根小柱子，柱子的長度稍大于1/2的槽體寬度。

纖維吸液芯平板微熱管的吸液芯是最核心的組成部分，由大量排列很密集的纖維結構組成。這些大量密集組成的纖維會呈現出類三角形形狀的截面，截面的外形就如同三個球碰在一起所圍成的空隙區間。這種類三角形形狀的每個邊角很細，纖維結構的多層排列促使液體的倒流區域和它有一樣的排列結構。這樣的結構優勢在于不會因管子小這一缺點而影響倒流區域的面積和數量。

纖維吸液芯平板微熱管和普通的平板微熱管在工作原理上是一致的，管子的工作原理就是：先在吸熱端吸收大量的熱量，使介質呈氣態狀，便于傳輸，然后氣態狀的介質從吸熱端橫向傳輸到冷凝端，將氣態狀的介質冷凝成液態狀，最后液態狀的介質又被送回到吸熱端，多次重復，具體循環過程如圖1所示。雖然原理和過程簡單，和普通的沒什么兩樣，但是纖維吸液芯結構更具優勢的地方就在于：①類三角形形狀結構邊角非常細。纖維結構吸液芯形成的截面是類三角形狀的液體回流溝道，利于液體實現倒流，而且制造簡單、成本低廉。②循環通道分離。纖維吸液芯平板微熱管工作時，氣態狀的介質傳輸方向和液態狀的介質回流方向在方向和區域空間上是分開的，從而避免了兩者對撞帶來的熱量損失和傳輸效率的減慢。③液態狀介質回流通道多層排列。纖維結構吸液芯可以使液態狀介質的回流溝道呈多層排布結構，既能滿足所需的傳輸效率，又沒有增加管子的體積，從側面降低了制造成本。

圖1 ?纖維吸液芯平板微熱管工作原理循環過程圖

2 ?仿真計算結果與分析

微熱管在正常條件下工作時，等溫性表現得非常好，基本不失真。但是超過熱量極限時，隨著熱量的增大，管子發生實效，呈現溫差非常大、明顯失真的現象。當輸入熱量在3.5～4 W之間時，溫度變化突然加大，就可大致確定管子的最大傳熱量就在3.5～4 W這一范圍內。通過建立的數學方程，代入相應的數據，解答方程得出的結果是3.7 W，從圖像上反映的結果和建模解出的結果非常相近，進一步驗證了仿真結果的正確性。

3 ?結束語

本文設計了一種具有纖維吸液芯結構的平板微熱管，能夠改進傳統微型熱管的結構缺陷，利用纖維緊密排列所形成的尖角區域作為工質回流通道，達到增大回流毛細力、提高傳熱能力的效果。針對這種結構建立理論模型，對纖維吸液芯結構平板微熱管進行仿真分析，得到最大傳熱量為3.8 W，并對微熱管進行實測，實測結果進一步驗證了仿真結果的正確性。

參考文獻

[1]李騰，劉靜.芯片冷卻技術的最新研究進展及其評價[J].制冷學報，2004（3）：22-32.

[2]劉益才.電子芯片冷卻技術發展綜述[J].電子器件，2006（1）：296-300.

〔編輯：王霞〕

Fiber Wick Micro Heat Management Theory Analysis and Verification

Shen Yingdong， Yao Yi， Liu Jian， Zu Xiaodong， Han Tian

Abstract： The design of a fiber wick structure of flat micro heat pipe， using fiber closely spaced gap formation of micro heat pipe working channel. The theoretical analysis and modeling of the micro heat pipe， established the quality equation， momentum equation and energy equation etc. The model simulation operation， compared with the maximum heat transfer with the measured results， thus obtains the fiber wick of micro heat pipe the maximum heat transfer.

Key words： heat pipe; fiber wick; theoretical model; maximum heat transfer

文章編號：2095-6835（2015）14-0090-02