熱管以實(shí)現(xiàn)溫度均勻化初探

聶呈呈

(山東省環(huán)能設(shè)計(jì)院股份有限公司,山東 濟(jì)南 250100)

在最近的十年中,與諸如空氣冷卻和水冷卻之類的其他冷卻方法相比,熱管因其可相變,結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,穩(wěn)定可靠,成本相對(duì)較低而被稱為熱“超導(dǎo)體”,吸引了人們的關(guān)注。熱管作為兩相傳熱設(shè)備,它們具有低傳熱溫差,高傳熱性能,小尺寸和出色的溫度一致性的優(yōu)點(diǎn),并且熱管的機(jī)制和工作原理簡(jiǎn)單,不需要機(jī)械維護(hù),提供了非常有前途的解決方案。

各種尺寸或形狀的熱管的特殊性能使其可以用于各種應(yīng)用,如有關(guān)熱管研究和開發(fā)的一些文獻(xiàn)綜述所介紹的[1-2],例如Lips等人[3]根據(jù)液體向蒸發(fā)器的回流是重力還是毛細(xì)管輔助,對(duì)熱管的類型進(jìn)行分類。還描述了其他熱管,例如旋轉(zhuǎn)和脈動(dòng)熱管,不同類型的熱管的多樣性反映了使用它們的應(yīng)用的多樣性。熱管的主要功能是在熱源和冷源之間傳遞具有低溫差的高熱通量。但是,通過選擇特定類型的熱管也可以使用其他功能。因此,熱管可用于熱通量散布,熱控制,熱敏二極管或溫度均勻化。顯然,這些功能中的幾個(gè)功能可以在同一系統(tǒng)中組合。下面將對(duì)每個(gè)功能進(jìn)行簡(jiǎn)短描述。

蒸氣室是毛細(xì)管驅(qū)動(dòng)的平面熱管,具有長(zhǎng)寬比小。如果冷凝器在蒸發(fā)器上方,則不需要管芯。脈動(dòng)熱管(PHP)由長(zhǎng)的毛細(xì)管構(gòu)成,該毛細(xì)管可以彎曲許多圈,成環(huán)或不成環(huán)。由于毛細(xì)作用,流體分布在管內(nèi)的蒸汽塞和液塞中,液態(tài)團(tuán)塊的蒸發(fā)或沸騰會(huì)引起整個(gè)管中流體的強(qiáng)烈振蕩,熱量通過潛熱和顯熱從熱源轉(zhuǎn)移到冷段。

熱管也可以用于特殊應(yīng)用中,以允許單個(gè)方向的熱傳遞,例如熱敏二極管。大多數(shù)應(yīng)用,如永久凍土的保存[4],都是基于使用熱虹吸管,無多孔結(jié)構(gòu)的熱管。在這里,液體只能靠重力返回。當(dāng)蒸發(fā)器在冷凝器上方時(shí),不可能進(jìn)行熱傳遞。VCHP也可以用作熱敏開關(guān)。僅通過存在NCG即可實(shí)現(xiàn)無源調(diào)節(jié)。在低溫下,它們充滿了較大的體積,從而降低了熱管的傳導(dǎo)性。相反,在高溫NGC在冷凝器的末端被壓縮,從而增加了其電導(dǎo)率。這樣,在暫時(shí)的非耗散期間,當(dāng)設(shè)備的溫度過低時(shí),可以通過與散熱器隔離來保持其完整性[5]。

主要針對(duì)兩種熱管的主要應(yīng)用進(jìn)行了總結(jié),分為圓柱形熱管和扁平熱管/蒸汽室。圓柱形熱管主要應(yīng)用大體積的電力電子器件,而對(duì)于一些體積空間較小的器件,則使用扁平熱管進(jìn)行散熱。

1 圓柱形熱管

圓柱形熱管是一種相變?cè)傺h(huán)系統(tǒng),用作熱管散熱器中熱源與散熱片之間的互連基礎(chǔ)。與傳統(tǒng)的銅或鋁基材相比,通過提供重量和體積要少得多的高導(dǎo)熱率,熱管可以減少更多的空氣流通障礙,從而增強(qiáng)自然對(duì)流。隨著熱管的加入,翅片的面積大大減少。Ye等[6]設(shè)計(jì)了一個(gè)帶有熱管和平行垂直散熱片的散熱器,以控制70 ℃下80 W LED的外殼溫度。Sharifi等[7]開發(fā)了熱管翅片陣列系統(tǒng)的熱阻模型,并證明了從熱管冷凝段到周圍空氣的熱傳遞極大地限制了系統(tǒng)的散熱性能。關(guān)于熱管翅片陣列系統(tǒng)應(yīng)用的其他一些研究也表明,系統(tǒng)級(jí)極限熱阻與熱管冷凝器或蒸發(fā)器部分外部的單相流體流動(dòng)有關(guān)。當(dāng)冷凝段通過自然空氣對(duì)流冷卻時(shí),較大的外部熱阻通常位于熱管的冷凝器端。

1.1 圓柱形翅片熱管

圓柱形熱管通常不單一使用,而是結(jié)合翅片增強(qiáng)散熱。Wang[8]通過實(shí)驗(yàn)研究了帶有嵌入式L形熱管和用于電子冷卻應(yīng)用的板翅片的散熱器。結(jié)果表明,帶有六個(gè)熱管的散熱器的功率為160 W,最小熱阻為0.22 ℃/W。計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)仿真用于獲得CPU冷卻散熱器的正確設(shè)計(jì)條件。Xiahou[9]等設(shè)計(jì)了一種用于IGBT散熱的新型陣列式冷凝器平熱管散熱器,冷凝管構(gòu)成陣列的冷端并焊接在蒸發(fā)器的上表面,陣列的冷端在空間上與空心腔的熱端整體相連。新型熱管消除了基板與熱管之間的接觸熱阻,溫度均勻性提高,工作流體可以相互調(diào)節(jié)和補(bǔ)充,有利于顯著提高傳熱效率。各種研究證明,減小接觸熱阻可以增強(qiáng)散熱效果。

傳統(tǒng)的熱管翅片散熱器,經(jīng)過優(yōu)化散熱效果更好。Huang[10]等提出一種新型的對(duì)稱且高度連續(xù)變化的翅片陣列,通過減小流阻來改善自然對(duì)流換熱。通過三維數(shù)值計(jì)算,比較不同高度可變翅片陣列的熱管散熱器的傳熱性能。研究表明,增加散熱片間距(s)和最大散熱片高度差(p)可以大大降低單位功率的材料成本Mtot,但對(duì)總熱阻Rtot影響更復(fù)雜。并且基于響應(yīng)面法,以最小Rtot和Mtot為目標(biāo),進(jìn)行了參數(shù)研究和多目標(biāo)優(yōu)化分析。Liang[11]等研究了帶翅片U型熱管的散熱器的熱性能,用于中央處理器(CPU)的冷卻。作者據(jù)散熱器的熱阻進(jìn)行分析,確定了最佳的工作熱負(fù)荷范圍。通過使用貝塞爾(Bessel)的修正方程以及通過實(shí)驗(yàn)研究獲得的結(jié)果,估算了散熱片與周圍空氣之間的對(duì)流傳熱系數(shù)。通過評(píng)估熱阻函數(shù)的最小值對(duì)散熱器進(jìn)行優(yōu)化來確定U形熱管的優(yōu)化L比(蒸發(fā)器段長(zhǎng)度與冷凝器段長(zhǎng)度之比)。發(fā)現(xiàn)U形熱管的最佳L比率取決于其他幾何參數(shù),例如熱管直徑和散熱片間距,這對(duì)于散熱器的最佳設(shè)計(jì)具有實(shí)際工程意義。

1.2 振蕩熱管(OHP)

此外,振蕩熱管(OHP)是一種高效的被動(dòng)冷卻裝置,具有出色的處理高熱通量的能力,同時(shí)在功率器件冷卻和能量收集中保持較低的熱阻,被證明是大功率LED一種潛在的散熱解決方案。

一些研究者對(duì)振蕩熱管的熱性能進(jìn)行了分析。Wang[12]等設(shè)計(jì)并開發(fā)了一種在平板蒸發(fā)器內(nèi)部帶有燒結(jié)銅顆粒(SCP)的三維管狀平板振蕩式熱導(dǎo)管(OHP),用于大功率LED芯片的熱管理。實(shí)驗(yàn)研究了SCPs,傾斜角和填充率對(duì)OHP散熱器在不同熱功率輸入下的啟動(dòng)性能和傳熱性能的影響。評(píng)估了不同傾角和填充率的LED芯片的溫度分布和照度變化。Lyu等人[13]研究了OHP的重力和工作流體對(duì)LED封裝的傳熱性能的影響。他們發(fā)現(xiàn)水-OHP的性能優(yōu)于甲醇-OHP,其最低熱阻為0.06 ℃/ W,并且重力可以促進(jìn)OHP啟動(dòng),并增強(qiáng)用于冷卻100 W LED的熱傳輸?shù)姆€(wěn)定性。Lin等[14]在LED散熱器上使用鋁板OHP來研究加熱模式的方向,冷卻條件和OHP的內(nèi)部結(jié)構(gòu)對(duì)64 W LED散熱的熱性能的影響。熱試驗(yàn)表明,重力和冷卻溫度極大地影響了板式OHP的熱性能,當(dāng)將板式OHP應(yīng)用于LED散熱器時(shí),可以顯著降低LED芯片的結(jié)溫。Li等[15]進(jìn)行了基于平板OHP冷卻100 W LED芯片的實(shí)驗(yàn)研究。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,帶有自然對(duì)流翅片的平板OHP可以有效降低大功率LED的溫度。以上工作初步證明了OHP在大功率LED冷卻中的可行性。

1.3 外部環(huán)形熱管

環(huán)形毛細(xì)管熱管通常是封閉的容器,由容器的外壁和較大的同軸管組成。為了確保良好的機(jī)械強(qiáng)度和熱管的高毛細(xì)泵送力,通常將環(huán)形段分成幾個(gè)蒸汽通道,這些蒸汽通道由篩網(wǎng)濾芯隔開。

Parent[16]等人的不銹鋼/鈉熱管(內(nèi)徑2 cm,外徑4.1 cm)將3 m長(zhǎng)反應(yīng)堆的最大縱向溫度梯度降低至0.01 K/mm,而傳統(tǒng)冷卻方式為0.06 K/mm。Choi[17]等人的不銹鋼/萘熱管提供了爐子的縱向和圓周溫度平坦化,其外徑為159 mm,長(zhǎng)度為200 mm。為了確保由每個(gè)納米顆粒的銅制成的燒結(jié)多孔片的設(shè)計(jì),該技術(shù)需要恒溫條件,以避免最終產(chǎn)品的機(jī)械變形。盡管加熱不均勻,但溫度梯度估計(jì)為0.02 K/mm,僅提供給爐子的下部。實(shí)驗(yàn)結(jié)果突顯了非常好的溫度穩(wěn)定性,約為200 ℃或300 ℃。

圓柱形熱管軸向?qū)嵝院軓?qiáng),熱阻小,適用于散熱器功率大、散熱空間充足的電力電子器件。但是圓柱形熱管徑向散熱并無太大的改善,不適用于散熱空間較小的電子元器件,具有局限性。因此,需要扁平熱管來實(shí)現(xiàn)小型電子器件的散熱。

2 扁平熱管/蒸汽室

在過去的十年中,已經(jīng)有許多研究人士對(duì)許多小型原型進(jìn)行了廣泛的研究,表明可以獲得與金剛石基板相當(dāng)?shù)纳嵝阅堋＿@些研究表明,熱管是解決未來熱管理挑戰(zhàn)的有前途的候選人。近年來,由于其低耐熱性和適應(yīng)性強(qiáng),被稱為蒸氣室(VC)的平板型熱管[18]已被用作高性能計(jì)算機(jī)的高級(jí)散熱裝置。平板型熱管廣泛用于局部散熱中,在一些小型電力電子設(shè)備中,往往由于有限的熱源和散熱區(qū),很難有效利用傳統(tǒng)的圓柱形熱管增強(qiáng)散熱。蒸氣室是類似于熱管的密閉容器,利用相變來增強(qiáng)散熱效果,這引起了人們對(duì)電子行業(yè)的興趣。對(duì)于典型的散熱器應(yīng)用,越來越多的研究人員采用蒸氣室作為將電子部件產(chǎn)生的熱量散布到散熱器底部的方法。

2.1 蒸汽室集成

一些研究人士將蒸汽室集成在DBC與散熱器之間,用于替代金屬基板增強(qiáng)散熱。Zhang[19]等對(duì)集成的電力電子模塊進(jìn)行了研究,將蒸汽室(VC)取代金屬基板集成于DBC與散熱器之間,消除了模塊與散熱器連接的接觸熱阻,與傳統(tǒng)金屬散熱片相比,VC將集中的熱源大大擴(kuò)散到更大的冷凝區(qū)域,同時(shí)重量輕,幾何柔性好和較大的冷卻面積,大大增強(qiáng)了IGBT模塊的散熱效果。Chen等[20]開發(fā)了一種新型的散熱管理系統(tǒng)用于IGBT電源模塊冷卻。將模塊與基于蒸氣室的散熱器集成在一起,以降低熱阻并顯著提高溫度均勻性。與傳統(tǒng)散熱器相比較,芯片結(jié)溫、芯片內(nèi)溫差、最大熱應(yīng)力都有所降低,提高IGBT模塊的工作性能。

另外,Wang等人[21]在30 W大功率LED上使用了一個(gè)帶有折疊翅片的蒸氣室,實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,在大功率LED熱管理中,蒸氣室的有效導(dǎo)熱系數(shù)比銅和鋁散熱器的導(dǎo)熱系數(shù)高得多。Luo等人[22]使用電鑄技術(shù)制造了用于大功率LED的硅基銅槽微蒸氣室。結(jié)果發(fā)現(xiàn),厚度為0.5 mm的微芯結(jié)構(gòu)對(duì)冷卻高功率LED封裝的蒸氣室的熱性能產(chǎn)生了重大影響。Wang[23]比較了三種類型的分別具有蒸氣室,銅和鋁的LED基板的熱性能。研究結(jié)果表明,LED蒸氣室基板具有5 W以上的最佳熱性能,其熱阻為0.38 ℃/W。還揭示出,6W LED蒸氣室基板的照度比鋁基板的照度大5%。Tang等人[24]開發(fā)了一種帶有蒸氣室的集成散熱片,該散熱片具有用于LED的平行,正交的微溝槽。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,LED封裝與蒸氣室散熱器的結(jié)溫比對(duì)流散熱器低,蒸氣室散熱器系統(tǒng)的熱阻為0.83 ℃/W,比對(duì)流散熱器低16.5%。Huang等[25]研究了用于大功率LED的蒸氣室的熱性能,他們發(fā)現(xiàn)蒸氣室可以有效地降低擴(kuò)散阻力并減小熱點(diǎn)效應(yīng),表現(xiàn)出優(yōu)異的散熱性能。除了傳統(tǒng)的熱管和蒸氣室以外,還需要一些基于新型熱管技術(shù)的針對(duì)大功率LED封裝或產(chǎn)品的新熱管理方法,以滿足高熱通量要求LED芯片的快速發(fā)展。

其他幾項(xiàng)研究和專利比較了在較大表面上使用蒸氣室代替金屬板的情況。例如,Sun等人[26]申請(qǐng)了專利的高效鋁/丙酮蒸氣室。將263 cm2鋁表面上的17 cm2中心源加熱可將溫度差降低8 K。這相當(dāng)于溫度梯度從平板的0.06 K/mm降低到蒸氣室的0.01 K/mm。Wang等人[27]測(cè)量出平均溫度降低了10 K。適用于16個(gè)LED芯片封裝,面積為64 cm2,配備有銅/水蒸氣室,與鋁基板相比。紅外可視化清楚地顯示了標(biāo)準(zhǔn)基板鋁背面上每個(gè)芯片上都存在熱點(diǎn),而蒸氣室基板則發(fā)生了快速的溫度均勻化。最后,由Bou-khanouf等人[28]對(duì)類似的蒸氣室進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。通過將熱量散布到500 cm2的散熱器上,證明了這種系統(tǒng)使50 cm2的熱源溫度均勻的效率。熱銅表面的紅外圖像突出顯示出平面內(nèi)溫度梯度從固態(tài)銅板的0.32 K/mm降低到蒸汽室蒸發(fā)器的0.08 K/mm,并降低了超過10 K的熱源最高溫度。

2.2 溫度均勻性

其次,扁平熱管具有很好的溫度均勻性,防止出現(xiàn)局部溫度過高而導(dǎo)致器件損壞的現(xiàn)象。Fan等人的著作[29]強(qiáng)調(diào)指出,蒸氣室比通過環(huán)氧樹脂或鋁板具有散熱孔的系統(tǒng)更有效,以散熱并均勻化2.7 cm2PCB的溫度。計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)結(jié)果證明,蒸氣室將帶通孔設(shè)計(jì)和平板散熱器的平面內(nèi)溫度梯度分別從0.9 K/mm和0.4 K/mm降低到PCB的0.1 K/mm。從而改善了PCB與散熱器之間的軸向?qū)?溫度梯度為2.2 K/mm,鋁制極板的溫度梯度為4.2 K/mm,帶通孔的系統(tǒng)的溫度梯度為15.6 K/mm。

2.3 蒸汽室缺點(diǎn)

蒸氣室的最壞缺點(diǎn)是重力對(duì)其運(yùn)行的負(fù)面影響。在水平位置,如果芯子的毛細(xì)管抽吸足夠,則流體實(shí)際上在平面內(nèi)均勻地分布。在垂直位置,如果熱源位于蒸氣室的中心,則蒸氣流分為重力輔助向上流動(dòng)和重力反向向下流動(dòng)。這種現(xiàn)象可能涉及垂直蒸氣室頂部和底部之間的溫度梯度差異,但是薄的蒸氣室(例如:電子設(shè)備散熱器)的溫度均勻性良好。Tsai等[30]研究人員在各種傾角下研究了內(nèi)部厚度為2 mm的81 cm2銅/水蒸氣室。測(cè)量水平位置(蒸發(fā)器在下方和蒸發(fā)器在上方)得到了相同的溫度梯度,在垂直和水平位置之間記錄了溫度梯度的最大差值(約為0.04 K/mm),結(jié)果顯示,測(cè)試的傾斜度對(duì)溫度均勻化的影響不明顯。

蒸氣室的另一個(gè)可能的缺點(diǎn)是發(fā)生泄漏。實(shí)際上,由于采用扁平設(shè)計(jì),蒸氣室無法承受圓柱幾何形狀的工作壓力,增加了泄漏的風(fēng)險(xiǎn)和大部分流體裝料的損失。這種現(xiàn)象極大地降低了熱管的效率。有缺點(diǎn)的蒸汽室的散熱效率不如固態(tài)金屬板的散熱效率。例如,由Sun等人[31]測(cè)試的中空鋁板在與上述相同的條件下,可保持0.12 K/mm的溫度梯度,是普通板的梯度的兩倍。

3 熱管不同工作流體

影響熱管熱性能的因素有很多,在這種情況下,可以在熱管中選擇一種可以傳遞最大熱能的合適的工作流體。

合適的工作流體可以增強(qiáng)熱管的熱性能。S. K. Sahu等[32]研究了一種以相變材料(PCM)作為儲(chǔ)能材料(ESM)進(jìn)行電子冷卻的納米流體(MCNT /水)帶電熱管的熱性能。由于增強(qiáng)了納米流體的傳熱特性,一些研究人員將納米流體應(yīng)用于管狀熱管中以提高傳熱性能。Yousefi等[33]通過使用Al2O3-水納米流體帶電熱管研究了CPU冷卻器的性能。結(jié)果表明,在10 W和25 W的熱負(fù)荷下,熱阻分別降低了15%和22%。Jahani等[34]報(bào)道了微脈沖熱管(MPHP)的熱性能。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,水的最佳充電率為40%,而納米流體的最佳充電率為60%。相對(duì)于帶水的MPHP,帶納米流體的MPHP具有較低的熱阻。

4 結(jié)論及展望

電子元件可以散發(fā)高熱通量密度。熱管可以將熱量傳遞到遠(yuǎn)處,被廣泛用作散熱器。熱管作為兩相傳熱設(shè)備,它們具有低傳熱溫差、高傳熱性能、小尺寸和出色的溫度一致性的優(yōu)點(diǎn)。并且熱管的機(jī)制和工作原理簡(jiǎn)單,不需要機(jī)械維護(hù),提供了非常有前途的解決方案。另外,許多研究者對(duì)影響熱管熱性能的工作流體進(jìn)行分析研究,通常包括納米流體懸浮液、氧化鐵-水懸浮液和去離子(DI)水等。對(duì)于蒸汽室的研究,主要分為:蒸汽室集成、蒸汽室代替基板、溫度均勻性以及蒸汽室缺點(diǎn)。由于蒸汽室存在一個(gè)重大痛點(diǎn):會(huì)受重力影響,因此還有待進(jìn)一步研究。

金屬材料由于其高導(dǎo)熱性而成為最受青睞的材料。塑料和聚合物復(fù)合材料等新型導(dǎo)熱和較輕材料的改進(jìn)以及與這種材料化學(xué)相容的新型流體的研究是熱管設(shè)計(jì)未來的挑戰(zhàn)之一。最后,如文獻(xiàn)中矛盾的結(jié)果所示,通常的或新的材料/流體對(duì)的物理和化學(xué)性質(zhì)的知識(shí)仍然很貧乏。為了解決這個(gè)問題,應(yīng)該在熱管和材料科學(xué)研究界之間建立更多的互動(dòng)關(guān)系。