超薄微熱管注液率和二次除氣的實驗探究*

梁長球，李 勇，陳韓蔭

（1.華南理工大學 機械與汽車工程學院，廣東 廣州510640；2.肇慶新創意傳熱科技有限公司，廣東 肇慶526238）

隨著5G技術的發展，微電子芯片熱流密度不斷增加，而有效散熱空間又不斷減小，因此對導熱元件的要求也越來越高。超薄微熱管具有厚度薄，尺寸小，導熱效率高，可靠性高，無需額外動力驅動等特點[1-2]，可以滿足5G手機、超薄筆記本等電子產品的散熱要求，具有廣闊的市場前景[3-4]。隨著現在手機越來越薄，作為手機的散熱元件，熱管也要求越來越薄，以適應電子設備不斷小型化、便攜化和輕薄化的發展[5-6，11]。

目前為止，對壓扁型超薄微熱管的研究主要集中在不同吸液芯結構、不同壓扁厚度、不同注液率對熱管傳熱性能影響規律上，而且主要研究的是常規管的二次除氣工藝，對超薄微熱管的二次除氣工藝研究甚少，為探明二次除氣與超薄管傳熱性能之間的耦合規律，很有必要開展本文的實驗研究。在國內，何柏林[7]等研究二次除氣工藝參數對微熱管啟動和均溫性能的影響，結果表明隨著加熱時間和加熱溫度的增大，微熱管的啟動性能有所提高。陳鎮宇[8]研究二次除氣對不同直徑微熱管性能的影響，結果表明沒有經過二次除氣的熱管，其性能會大幅度下降。陳偉彬[9]研究了二次除氣工藝對微熱管等溫性能的影響，結果表明適當提高加熱溫度和延長加熱時間可以改良微熱管的等溫性能，但存在一個極限。Yong Tang等[10]研究了二次除氣對溝槽微熱管均溫性能的影響，認為經過二次除氣之后，冷凝端和蒸發端的溫差變得更小了。Yong Li等[11]研究了具有復合吸液芯的圓直管均溫性能，同樣的，實驗結果表明二次除氣對具有復合吸液芯的圓直管的均溫性能具有顯著的影響，并且二次除氣可以減小冷凝端和蒸發端的熱阻；Ling等[12]研究了不凝性氣體對熱管傳熱性能的影響，發現不凝性氣體會使熱管冷凝端出現較大的溫差；Wang等[13]運用數值模型分析了不凝性氣體對微熱管性能的影響規律，發現在極限功率下，不凝性氣體含量最小，蒸發與冷凝的溫差最小。

本文研究了不同注液率、二次除氣加熱時間和加熱溫度對超薄微熱管極限功率、蒸發冷凝熱阻的影響，為超薄微熱管的制造參數優化和實際應用提供理論指導。

1 超薄微熱管制造

1.1 實驗材料

超薄微熱管毛坯管為外徑4mm、內徑3.84mm、長為126mm的無氧銅銅管，具體如表1所示。吸液芯采用14目絲網燒結而成。14目絲網孔隙率大約是60%，厚度大約是0.24mm。

表1 實驗材料參數

1.2 實驗熱管制造工藝

本文研究影響因子有注液率，二除加熱溫度，二除加熱時間。當研究注液率時，采用二次除氣溫度為160℃，加熱時間為20S。研究加熱溫度時，注液率為115%，加熱時間為20S。研究加熱時間時，注液率為115%，加熱溫度為160℃。具體制造工藝步驟如下：（1）將絲網和銅管切好并清洗干凈，然后將銅管進行縮尾和尾部點焊工藝。（2）將穿好絲網的銅管放進燒結爐進行燒結，燒結溫度為940℃左右，燒結時間4h左右，燒結完畢進行打標和退火工藝。（3）下一步將工質注入銅管中，注液完畢進行抽真空工藝。（4）超薄微熱管經過一次抽真空除氣之后，管內的真空度已經較高，但是一次除氣過程中會導致內部工質去離子水結成冰塊，結果造成不凝性氣體殘留在內部，包括氫氣等。這些不凝性氣體不會參與熱循環傳遞熱量，反而會占據蒸汽通道，影響工質蒸汽的流通，降低熱管傳熱性能。為了提高熱管性能，必須去掉這些不凝性氣體，而二次除氣工藝可以實現這一目的。一次除氣結束之后要盡快進行二次除氣工藝，二次除氣之后馬上進行頭部焊接工藝。（5）之后對熱管進行老化處理，為下一步的壓扁工藝做好準備。（6）最后進行壓扁和表面處理。制造樣品如圖1所示。

2 測試系統

2.1 實驗裝置

測試系統采用水冷測試機模式，主要包括加熱模塊，冷凝模塊，數據采集模塊，如圖2所示。加熱模塊具體部件：用加熱陶瓷片模仿芯片加熱工況，通過程控電源控制加熱功率P的大小，其精度可達0.01W。冷凝模塊主要包括：冷卻銅塊內部設計有水冷通道，使恒溫水（水溫為50℃，流量為10L/h）可以在其內部循環散熱；恒溫水由恒溫水箱提供，其控制精度為0.1℃。銅塊與熱管接觸部分均涂上導熱膏，降低熱管和銅塊的接觸熱阻[14]。熱管的蒸發端，絕熱段和冷凝端各分布2個熱電偶測溫點，分別記為T1、T2、T3、T4、T5、T6，這6個測溫點將溫度數據傳輸到采集卡，計算機讀取，顯示記錄數據，其測試精度為±0.5℃，滿足實驗要求，所用采集卡型號為NI9213。

測試過程加熱功率P先從1W開始，等待5分鐘左右待熱管達到平衡狀態，即蒸發冷凝端溫度變化幅值在30S內保持0.5℃以下，則認為熱管在此功率下可以達到平衡狀態，記錄此時的功率和溫度；然后繼續增加輸入功率，每次增加0.5W，直到蒸發冷凝端溫差超過5℃時（熱管達到傳熱極限）停止測試。重復測試三次，取所有數據的平均值，以減小誤差和提高測試精度，保證實驗數據的準確性。

蒸發端平均溫度與冷凝端平均溫度之差△T為

實驗熱管蒸發熱阻和冷凝熱阻分別為

總熱阻包括蒸發熱阻和冷凝熱阻，即

2.2 相對測量誤差分析

實驗誤差主要來自測量溫度和輸入功率的誤差。功率和溫度的最大測量誤差是0.01W和0.5℃。根據Mcclintockfa[15]提出的測試誤差理論，相對測量誤差可采用如下公式：

圖1 實驗熱管樣品圖

圖2 測試系統原理圖（單位：mm）

式中，e（R）為超薄微熱管熱阻的測量誤差，eki是每個環節ki的最大測量誤差。本實驗中加熱功率和測量溫度的最大誤差為0.01W和0.1℃。相對測量誤差分布如圖3所示，其值較小，且隨著測試功率的增大而減小，可滿足實驗精度要求。

圖3 超薄微熱管熱阻的相對測量誤差

2.3 不確定度分析

由于測量誤差的存在，被測量值有一個不能肯定的程度，不確定度就是表示這個程度的值。不確定度可以用A類評定和B類評定來評定。A類評定按照測量值的統計分布計算，B類按照實驗儀器的經驗誤差計算。影響熱阻測量值不確定度的影響因素主要有熱電偶測量引起的不確定度分量△A1，采集卡示值引起的不確定度△B1，程控電源引起的不確定度△B2。若第i個測溫點的2個測量值為Ti1、Ti2，其平均值為則△A1為

采集卡示值誤差范圍△卡為±0.02℃，取均勻分布，則采集卡示值誤差引起的不確定度分量△B1為

程控電源穩定度△源為0.01W，取均勻分布，則其引起的不確定度分量△B2為

總不確定度U為

自由度v為

以本實驗結果中最大熱阻為例，采用展伸不確定度評定，則測量結果最終評定R=（0.154±0.078）℃/W，置信概率為94%，v=3。

3 實驗結果與分析

3.1 超薄微熱管的蒸發熱阻分析

從圖4-6可以看出，蒸發熱阻都隨著加熱功率的增大而增大，當加熱功率達到極限功率時，蒸發熱阻會產生突變。因為此時蒸發端沒有足夠多的工質回流形成氣液相變傳熱，純靠熱管銅壁傳熱，散熱效率低下，蒸發端溫差陡增。此外，從圖4看出注液率下的蒸發熱阻變化幅度較大，但是可以看到，115%注液率的蒸發熱阻變化比較平穩，并且極限功率可以達到4.0W。原因是在低加熱功率下，115%的注液率可以使熱管內部氣液相變循環順暢，有足夠多的工質參與氣液相變循環，熱管不至于產生燒干現象。較低注液率下，熱管沒有足夠多的工質參與熱循環，導致熱管在較高的輸入功率下容易發生燒干現象，相反的，在較高注液率下，熱管內部會有多余工質阻塞蒸汽腔通道，同樣會減弱熱管的傳熱性能，因此必須設置一個最佳注液率，使熱管的傳熱性能可以達到最強。加熱時間和加熱溫度對蒸發熱阻影響較小，當加熱功率增大時，蒸發熱阻變化較小，其中當加熱時間和加熱溫度分別為20S和160℃時，蒸發熱阻變化最小。加熱時間和加熱溫度的大小決定了熱管內部不凝性氣體能否完全去除，同時影響到內部工質的封存量。當加熱時間和加熱溫度較小時，蒸發熱阻增速較快，因為此時不凝性氣體去除不干凈，占據了一定蒸汽腔體積，阻礙了蒸汽工質流動；當加熱時間和加熱溫度較大時，蒸發熱阻增速較慢，因為此時不凝性氣體去除比較干凈，蒸汽工質流動效率比較高；加熱時間和加熱溫度過大時，會使一部分工質損失，導致熱管散熱性能下降。

3.2 超薄微熱管的冷凝熱阻分析

如圖7-9所示，展示了超薄微熱管在不同注液率，二次除氣加熱溫度，二次除氣加熱時間下冷凝熱阻隨加熱功率的變化情況。觀察圖7可知，在整體上，隨著加熱功率的增加，冷凝熱阻也隨之增加，在4.0W的輸入功率下，115%注液率的冷凝熱阻達到最大值0.148℃/W。這是因為充液率較低時，工質流動過程中遇到的阻力較小，循環效率比較高，液體工質的回流速度比冷凝端液體工質的液化速度快，沒有工質在冷凝端積聚，冷凝端的傳熱能力沒有受到多余工質的影響。觀察圖8可知，在不同二次除氣加熱溫度下，160℃時冷凝熱阻變化幅度比較小，并且在160℃時極限傳熱功率能達到4.0W。140℃時極限傳熱功率也可以達到4.0W，但是其變化幅度和熱阻值明顯比160℃的大。從圖9可以看出，當加熱時間是20S，冷凝端的熱阻變化不大，最小值為0.06℃/W，最大值為0.073℃/W。當加熱功率較低時，各組的冷凝熱阻都變化不大，當加熱功率突破極限功率之后，冷凝端熱阻會發生明顯增大，加熱時間為5S時變化最大，從最低的0.04℃/W增大到0.148℃/W。主要原因在于，5S時熱管內部還存在著大量的不凝性氣體，氣化工質流動受到非常大的阻力，當處于極限功率時，有更多的工質蒸發吸熱，熱管溫度會快速上升，造成冷凝熱阻急劇增大。

圖4 不同注液率下蒸發端熱阻隨功率變化情況

圖5 不同加熱時間下蒸發熱阻隨功率變化情況

圖6 不同加熱溫度下蒸發熱阻隨功率變化情況

圖7 不同注液率下冷凝熱阻隨功率變化情況

3.3 超薄微熱管的傳熱極限分析

從圖10可以看出，最佳加熱時間是20S，最大傳熱功率是4.0W。當加熱時間小于最佳加熱時間時，傳熱功率隨加熱時間的增大而增大；當加熱時間大于最佳加熱時間時，傳熱功率隨加熱時間的增大而減小然后保持不變。其原因是：當加熱時間比較小時，不足以完全除去熱管內部的不凝性氣體，這些不凝性氣體會壓縮氣液循環通道，導致熱管有效傳熱長度變短，限制了熱管傳熱功率的增大。當加熱時間較大時，雖然不凝性氣體完全去除可以得到有效保證，但是也會使一部分工質也被除去，導致工質封存量減小，從而限制了傳熱功率的進一步增大。總之，過小或過大的加熱時間都不利于超薄微熱管傳熱功率的最大化。

圖8 不同加熱溫度下冷凝熱阻隨功率變化情況

圖9 不同加熱時間下冷凝熱阻隨功率變化情況

圖10 加熱時間與極限功率的關系

圖11 加熱溫度與極限功率的關系

由圖11可知，超薄微熱管的二次除氣最佳加熱溫度是140℃和160℃，當加熱溫度低于最佳加熱溫度時，極限傳熱功率隨著加熱溫度的提高而增大，當加熱溫度高于最佳加熱溫度時，極限傳熱功率會降低。這是因為二次除氣加熱溫度越高，超薄微熱管內不凝性氣體越少。當加熱溫度比較高時，氣態工質的壓強也越大，不凝性氣體體積受壓后變小，此時不凝性氣體的體積小于縮徑段，不凝性氣體能基本去除。而當加熱溫度過高時，氣態工質壓強進一步增大，會進一步壓縮不凝性氣體，導致會有一部分工質積聚在縮徑段，把不凝性氣體去除的同時也會把一部分工質除去，導致工質封存量減小，限制了極限傳熱功率的進一步提升。

從圖12可以看出，超薄微熱管的最佳充液率是115%，當充液率小于最佳充液率時，極限傳熱功率隨著注液率的增加而增加，當充液率大于最佳充液率時，極限傳熱功率會減小。因為在較低的充液率時，工質體積都小于吸液芯孔隙體積，吸液芯表面無多余液態工質，當功率過大時，超薄微熱管內部會發生“燒干”現象。工質量的不足限制了極限傳熱功率的增大。相反，當工質過多時，超薄微熱管發生氣液相變傳熱循環時會有工質剩余，剩余的工質起不到有效傳熱的作用，反而會阻塞蒸汽腔通道，使熱管有效傳熱段縮短，限制了極限傳熱功率的提高。

圖12 注液率與極限功率的關系

4 結論

文中研究了不同注液率，加熱時間，加熱溫度對超薄微熱管傳熱性能的影響規律，優化了超薄微熱管的制造工藝參數，為超薄微熱管的實際制造提供理論指導。最后得出以下結論：

（1）注液率的變化對超薄微熱管傳熱性能的影響表現為先增大后減小，存在一個最佳注液率。當注液率為115%，超薄微熱管的極限傳熱功率可以達到4.0W，合適的注液率可以使蒸汽腔通道內氣態工質流動遇到的阻力最小又不會導致熱管燒干。

（2）控制注液率和加熱溫度不變時，隨著加熱時間的增大，不凝性氣體可以完全去除，不過也會導致一部分工質的損失，導致極限傳熱功率的下降，蒸發熱阻的提高。當加熱時間過短時，不凝性氣體沒有完全去除，會降低熱管的傳熱性能。當加熱時間為20S時，極限傳熱功率為4.0W，此時熱管的傳熱性能最好。

（3）保持注液率和加熱時間不變時，加熱溫度對超薄微熱管傳熱性能的整體表現為：隨著加熱溫度的增加，熱管性能得到一定程度的提升，但是冷凝端熱阻也會增加。加熱溫度進一步增大對不凝性氣體的完全去除影響甚微，反而會導致一部分工質的損失，導致工質封存量減小，限制了熱管極限傳熱功率的進一步的提升。