均熱板吸液芯結(jié)構(gòu)研究現(xiàn)狀

摘 "要：隨著電子產(chǎn)品熱流密度呈指數(shù)倍增長(zhǎng)，均熱板正成為解決高熱流密度產(chǎn)品散熱問(wèn)題的技術(shù)手段之一。該文首先簡(jiǎn)要介紹均熱板的組成和工作原理，并從均熱板吸液芯結(jié)構(gòu)組成出發(fā)，描述單一吸液芯結(jié)構(gòu)和復(fù)合吸液芯結(jié)構(gòu)的研究現(xiàn)狀。最后，探討均熱板吸液芯結(jié)構(gòu)的未來(lái)發(fā)展方向。

關(guān)鍵詞：均熱板；單一吸液芯；復(fù)合吸液芯；研究現(xiàn)狀；發(fā)展方向

中圖分類號(hào)：TK124 " " "文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A " " " " "文章編號(hào)：2095-2945（2023）20-0033-04

Abstract： With the exponential increase of heat flux of electronic products， soaking plate is becoming one of the technical means to solve the heat dissipation problem of products with high heat flux. First of all， this paper briefly introduces the composition and working principle of the soaking plate， and describes the research status of the single suction core structure and the composite suction core structure based on the structure composition of the suction core. Finally， the future development direction of the soaking plate suction core structure is discussed.

Keywords： soaking plate; single suction core; compound suction core; research status; development direction

隨著電子信息技術(shù)的發(fā)展和推廣，電子產(chǎn)品、工業(yè)設(shè)備、新能源汽車及軍事裝備等領(lǐng)域的產(chǎn)品朝著小型化和集成化方向演變。產(chǎn)品的集成度越來(lái)越高，熱流密度也呈現(xiàn)指數(shù)倍增長(zhǎng)，部分產(chǎn)品的熱流密度已經(jīng)超過(guò)200 W/cm2，甚至工作溫度已接近臨界溫度。根據(jù)阿倫尼斯經(jīng)驗(yàn)方程可知，電子產(chǎn)品工作溫度每升高10 ℃，其可靠性降低50%[1]。因此，熱設(shè)計(jì)已成為產(chǎn)品設(shè)計(jì)中必不可少的一部分。

傳統(tǒng)散熱方式，如自然冷卻、強(qiáng)制風(fēng)冷，已不能滿足高熱流密度產(chǎn)品的散熱需求。均熱板作為一種高效的散熱設(shè)備，具有較高的熱導(dǎo)率和均溫性，正逐漸成為解決高熱流密度產(chǎn)品散熱問(wèn)題的技術(shù)手段之一。本文通過(guò)分析均熱板的組成和工作原理，闡述均熱板吸液芯結(jié)構(gòu)的重要性，探討均熱板吸液芯結(jié)構(gòu)的研究現(xiàn)狀，最后對(duì)吸液芯結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)進(jìn)行展望。

1 "均熱板的組成及工作原理

1.1 "均熱板的組成

均熱板的結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要由殼體（上殼板、下殼板和中間框架）、吸液芯結(jié)構(gòu)（蒸發(fā)端吸液芯和冷凝端吸液芯）和工作液體組成。上殼板、下殼板和中間框架形成密閉空間，通過(guò)特定的抽真空裝置對(duì)該密閉空間進(jìn)行抽真空，使密閉空間具有一定的真空度，形成真空腔。

1.2 "均熱板的工作原理

均熱板是一種相變換熱結(jié)構(gòu)，通過(guò)工作液體的蒸發(fā)和冷凝循環(huán)實(shí)現(xiàn)熱量的高效傳遞，其工作過(guò)程主要為：①熱量通過(guò)均熱板下殼板傳遞到蒸發(fā)端吸液芯；②蒸發(fā)端吸液芯內(nèi)的液體由于處于具有一定真空度的腔體內(nèi)，在較低的溫度下蒸發(fā)為蒸汽；③蒸汽在壓差的作用下充滿整個(gè)均熱板腔體；④由于冷凝端連接外部散熱裝置，以強(qiáng)制對(duì)流方式、風(fēng)冷散熱或水冷散熱方式帶走熱量。因此，蒸汽在冷凝端吸液芯處迅速凝結(jié)為液體；⑤凝結(jié)的工作液體在吸液芯毛細(xì)壓力和重力的作用下回流至蒸發(fā)端吸液芯，進(jìn)行下一次蒸發(fā)-冷凝循環(huán)[2]。

2 "均熱板吸液芯結(jié)構(gòu)

均熱板吸液芯一般分為2種：蒸發(fā)端吸液芯和冷凝端吸液芯，其中蒸發(fā)端吸液芯的作用是加快液體工質(zhì)在蒸發(fā)端的蒸發(fā)效率，而冷凝端吸液芯的目的是提升蒸汽在冷凝端的冷凝效率，蒸發(fā)端吸液芯與冷凝端吸液芯共同促進(jìn)了均熱板的蒸發(fā)-冷凝循環(huán)。

此外，部分類型吸液芯結(jié)構(gòu)可產(chǎn)生較強(qiáng)的毛細(xì)壓力來(lái)驅(qū)動(dòng)冷凝工質(zhì)從冷凝端回流至蒸發(fā)端，以此提升均熱板蒸發(fā)-冷凝循環(huán)能力。因此，吸液芯結(jié)構(gòu)是影響均熱板傳熱性能的重要因素。根據(jù)結(jié)構(gòu)組成，將均熱板吸液芯結(jié)構(gòu)分為單一吸液芯結(jié)構(gòu)和復(fù)合吸液芯結(jié)構(gòu)。

2.1 "單一吸液芯結(jié)構(gòu)

常見(jiàn)的單一吸液芯結(jié)構(gòu)有粉末燒結(jié)吸液芯、溝槽吸液芯、絲網(wǎng)吸液芯。粉末燒結(jié)吸液芯具有較強(qiáng)的毛細(xì)壓力，但由于其多孔特性導(dǎo)致滲透率和導(dǎo)熱系數(shù)較低；溝槽吸液芯具有較高的滲透性和導(dǎo)熱性，但由于其毛細(xì)半徑較大影響了吸液芯的毛細(xì)壓力；絲網(wǎng)吸液芯具有較高的滲透性，但其毛細(xì)壓力不如粉末燒結(jié)吸液芯，導(dǎo)熱系數(shù)不如溝槽吸液芯，然而絲網(wǎng)吸液芯制造成本低，因此常見(jiàn)于對(duì)毛細(xì)力和導(dǎo)熱性能要求不高的場(chǎng)景。

Chen等[3]制備了輻射狀溝槽型吸液芯結(jié)構(gòu)鋁制均熱板、粉末燒結(jié)型吸液芯結(jié)構(gòu)鋁制均熱板，通過(guò)分析均熱板熱阻和冷凝端頂部溫度的分布情況，研究均熱板的傳熱性能。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，粉末燒結(jié)吸液芯結(jié)構(gòu)均熱板比輻射狀溝槽吸液芯結(jié)構(gòu)均熱板具有更高的穩(wěn)定性。

Wong等[4]分別制備了100目絲網(wǎng)、200目絲網(wǎng)和三角形溝槽吸液芯結(jié)構(gòu)，用于均熱板的蒸發(fā)端，并研究了水、甲醇、丙酮等多種工質(zhì)在不同載荷和區(qū)域?qū)鶡岚宓臒嵝阅艿挠绊憽?/p>

Tang等[5]針對(duì)高功率LED的散熱需求，采用數(shù)控銑削制備了微溝槽吸液芯結(jié)構(gòu)均熱板來(lái)代替普通LED散熱器。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在相同的輸入功率下，與普通散熱器的LED相比，帶有微溝槽吸液芯結(jié)構(gòu)均熱板的LED的結(jié)溫更低，溫度分布更均勻。

Zeng等[6]采用銑刀制備了一種凹腔陣列的微溝槽結(jié)構(gòu)作為均熱板吸液芯結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)具有較高的深寬比，可有效地提升毛細(xì)壓力和促進(jìn)液體工質(zhì)進(jìn)行相變。實(shí)驗(yàn)研究表明，該結(jié)構(gòu)具有快速的熱響應(yīng)和低的熱載荷啟動(dòng)性能，均熱板的熱阻穩(wěn)定在0.055～0.074 ℃/W，適用于緊湊型的高功率電子設(shè)備的熱管理。

Wang等[7]設(shè)計(jì)了一種雙面徑向微溝槽吸液芯結(jié)構(gòu)均熱板，并分別采用制備紫外激光和紅外激光加工冷凝端微溝槽吸液芯結(jié)構(gòu)和蒸發(fā)端微溝槽吸液芯結(jié)構(gòu)。實(shí)驗(yàn)研究表面，雙面徑向微溝槽吸液芯結(jié)構(gòu)均熱板具有良好的均溫性能，蒸發(fā)端微溝槽結(jié)構(gòu)和冷凝端微溝槽結(jié)構(gòu)都有助于提高均熱板的傳熱性能，較大深寬比和較小輻射角的雙面微溝槽更有利于提高均熱板的熱性能。

2.2 "復(fù)合吸液芯結(jié)構(gòu)

評(píng)價(jià)吸液芯結(jié)構(gòu)傳熱性能的指標(biāo)一般為毛細(xì)壓力、導(dǎo)熱性、滲透性，而單一吸液芯結(jié)構(gòu)似乎很難同時(shí)達(dá)到高滲透性、大毛細(xì)壓力、高導(dǎo)熱性的效果。為解決這一難題，學(xué)者們紛紛開(kāi)始設(shè)計(jì)復(fù)合吸液芯結(jié)構(gòu)，如溝槽-粉末燒結(jié)吸液芯、溝槽-絲網(wǎng)吸液芯、絲網(wǎng)-粉末燒結(jié)吸液芯。

鄧大祥[8]在溝槽吸液芯內(nèi)部進(jìn)行粉末燒結(jié)，制備了一種新型溝槽-粉末燒結(jié)復(fù)合吸液芯結(jié)構(gòu)均熱板。通過(guò)均熱板可視化實(shí)驗(yàn)和傳熱性能實(shí)驗(yàn)表明，該復(fù)合吸液芯具有較高的滲透性、導(dǎo)熱性、毛細(xì)性能，相比溝槽吸液芯均熱板和粉末燒結(jié)吸液芯均熱板，具有更好的傳熱性能。

Deng等[9]設(shè)計(jì)了一系列蒸發(fā)端具有均勻徑向溝槽的復(fù)合多孔均熱板，其中均勻徑向溝槽由燒結(jié)銅粉層形成。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，復(fù)合多孔蒸汽腔由于徑向溝槽的存在，使熱通量均勻地傳遞到冷凝器表面。

Franchi等[10]在粗絲網(wǎng)上燒結(jié)金屬鎳粉末，制備絲網(wǎng)-粉末燒結(jié)吸液芯，結(jié)果表明，當(dāng)粗絲網(wǎng)和細(xì)粉末燒結(jié)顆粒同時(shí)存在時(shí)，該復(fù)合吸液芯具有較強(qiáng)的毛細(xì)壓力和較高的滲透性。

Lefèvre等[11]對(duì)比了雙層絲網(wǎng)吸液芯和溝槽-絲網(wǎng)吸液芯的傳熱性能，結(jié)果表明，溝槽-絲網(wǎng)吸液芯的傳熱性能沒(méi)有雙層絲網(wǎng)吸液芯好。因此，復(fù)合吸液芯結(jié)構(gòu)不一定比單一吸液芯結(jié)構(gòu)的傳熱性能好。

Wang等[12]設(shè)計(jì)了一種復(fù)合多孔吸液芯結(jié)構(gòu)均熱板，通過(guò)數(shù)值模擬分析復(fù)合多孔吸液芯結(jié)構(gòu)對(duì)均熱板內(nèi)液體工質(zhì)和蒸汽的流動(dòng)速度、壓力分布的影響。研究表明，復(fù)合多孔吸液芯結(jié)構(gòu)可為液體工質(zhì)提供多個(gè)回流通道。此外，為方便液體工質(zhì)通過(guò)多孔通道，均熱板蒸發(fā)端多孔介質(zhì)結(jié)構(gòu)的孔隙率應(yīng)略大于冷凝端多孔介質(zhì)結(jié)構(gòu)的孔隙率。

3 "吸液芯結(jié)構(gòu)的未來(lái)發(fā)展方向

近幾年，部分學(xué)者以自然界中植物葉脈結(jié)構(gòu)為啟發(fā)，設(shè)計(jì)了一種葉脈多尺度仿生吸液芯結(jié)構(gòu)[13]，研究了葉脈宏觀通道、微觀網(wǎng)紋、微納結(jié)構(gòu)對(duì)均熱板液體工質(zhì)流動(dòng)性能和均熱板整體傳熱性能的影響，制備的均熱板樣品性能優(yōu)異，熱阻最小僅為0.094 ℃/W。Liu等[14]通過(guò)植物葉脈運(yùn)輸原理提出了一種葉徑脈仿生分形的吸液芯結(jié)構(gòu)，分別制備了圓形均熱板和矩形均熱板。均熱板冷凝端采用葉脈仿生吸液芯結(jié)構(gòu)，蒸發(fā)端采用粉末燒結(jié)多孔結(jié)構(gòu)。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，葉脈仿生結(jié)構(gòu)的分形角度對(duì)均熱板傳熱性能的影響較大，當(dāng)分形角為40～50°時(shí)，均熱板的熱阻較小，此時(shí)矩形均熱板的最低熱阻為0.06 ℃/W。

此外，部分學(xué)者根據(jù)均熱板的應(yīng)用場(chǎng)景，分別設(shè)計(jì)不同潤(rùn)濕特性和非均勻潤(rùn)濕表面的吸液芯結(jié)構(gòu)，通過(guò)提升液體工質(zhì)的回流速度來(lái)增強(qiáng)均熱板的傳熱性能。Shaeri等[15]研制了2種新型潤(rùn)濕結(jié)構(gòu)吸液芯均熱板。第一種將親水性的絲網(wǎng)結(jié)構(gòu)壓入疏水性的蒸發(fā)端內(nèi)；第二種將蒸發(fā)端加熱區(qū)域設(shè)計(jì)為疏水性結(jié)構(gòu)，其他區(qū)域設(shè)計(jì)為超親水性結(jié)構(gòu)。實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證2種潤(rùn)濕結(jié)構(gòu)均熱板的傳熱性能，研究發(fā)現(xiàn)第二種均熱板的傳熱極限為162 W/cm2，高于第一種均熱板的傳熱性能，其原因是絲網(wǎng)與疏水蒸發(fā)端之間的機(jī)械接觸結(jié)構(gòu)影響了均熱板的傳熱性能。

均熱板吸液芯結(jié)構(gòu)的未來(lái)發(fā)展將以產(chǎn)品為主導(dǎo)，采用自然仿生形狀、不同潤(rùn)濕特性、非均勻潤(rùn)濕表面等技術(shù)手段，根據(jù)產(chǎn)品的應(yīng)用場(chǎng)景和散熱需求進(jìn)行個(gè)性化設(shè)計(jì)，得到最適合產(chǎn)品散熱的吸液芯結(jié)構(gòu)。

4 "結(jié)束語(yǔ)

隨著電子產(chǎn)品朝著小型化和微型化的方向發(fā)展，均熱板正逐漸成為解決產(chǎn)品散熱難題的技術(shù)手段之一。均熱板吸液芯結(jié)構(gòu)既可有效增強(qiáng)工質(zhì)的蒸發(fā)效率和冷凝效率，又可增強(qiáng)均熱板的毛細(xì)壓力促進(jìn)工質(zhì)蒸發(fā)-冷凝循環(huán)，是影響均熱板傳熱性能的重要因素。粉末燒結(jié)、溝槽、絲網(wǎng)等單一吸液芯較難同時(shí)達(dá)到高滲透性、大毛細(xì)壓力和高導(dǎo)熱性的效果，復(fù)合吸液芯結(jié)構(gòu)可有效解決單一吸液芯結(jié)構(gòu)的難題，但復(fù)合吸液芯結(jié)構(gòu)的傳熱性能不一定優(yōu)于單一吸液芯結(jié)構(gòu)的傳熱性能。自然仿生形狀、不同潤(rùn)濕特性和非均勻潤(rùn)濕表面是均熱板吸液芯結(jié)構(gòu)未來(lái)發(fā)展的主要方向。

參考文獻(xiàn)：

[1] 楊桂杰，楊銀堂，李躍進(jìn).多芯片組件熱分析技術(shù)研究[J].微電子學(xué)與計(jì)算機(jī)，2003（7）：78-80.

[2] 錢華俊，韓爽.均熱板的應(yīng)用[J].能源研究與利用，2021（1）：36-43.

[3] CHEN Y， KANG S， HUNG Y， et al. Feasibility study of an aluminum vapor chamber with radial grooved and sintered powders wick structures[J]. Applied Thermal Engineering， 2013，51（1-2）：864-870.

[4] WONG S， HUANG S， HSIEH K. Performance tests on a novel vapor chamber[J]. Applied Thermal Engineering， 2011，31（10）：1757-1762.

[5] TANG Y， LIN L， ZHANG S， et al. Thermal management of high-power LEDs based on integrated heat sink with vapor chamber[J]. Energy Conversion and Management， 2017（151）：1-10.

[6] ZENG J， ZHANG S， CHEN G， et al. Experimental investigation on thermal performance of aluminum vapor chamber using micro-grooved wick with reentrant cavity array[J]. Applied Thermal Engineering， 2018（130）：185-194.

[7] WANG Y， WEI X， LI Y， et al. Thermal performance of copper vapor chamber with double-sided uniform radial micro-grooved wicks by laser fabrication[J]. AIP Advances， 2021，11（9）：95310.

[8] 鄧大祥.微尺度熱質(zhì)輸運(yùn)強(qiáng)化槽道多孔結(jié)構(gòu)制造及性能研究[D].廣州：華南理工大學(xué)，2013.

[9] DENG D， HUANG Q， XIE Y， et al. Thermal performance of composite porous vapor chambers with uniform radial grooves[J].Applied Thermal Engineering，2017（125）：1334-1344.

[10] FRANCHI G， HUANG X. Development of Composite Wicks for Heat Pipe Performance Enhancement[J].Heat transfer engineering， 2008，29（10）：873-884.

[11] LEF？魬VRE F，CONRARDY J，RAYNAUD M， et al. Experimental investigations of flat plate heat pipes with screen meshes or grooves covered with screen meshes as capillary structure[J]. Applied Thermal Engineering， 2012（37）：95-102.

[12] WANG Q， ZHAO H， XU Z， et al. Numerical analysis on the thermal hydraulic performance of a composite porous vapor chamber with uniform radial grooves[J].International Journal of Heat and Mass Transfer， 2019（142）：118458.

[13] 羅遠(yuǎn)強(qiáng).耐熱型網(wǎng)狀脈植物葉片多尺度熱流結(jié)構(gòu)與仿生均熱板設(shè)計(jì)[D].廣州：華南理工大學(xué)，2018.

[14] LIU W， PENG Y， LUO T， et al. The performance of the vapor chamber based on the plant leaf[J].International Journal of Heat and Mass Transfer， 2016（98）：746-757.

[15] SHAERI M R， ATTINGER D， BONNER R W. Vapor chambers with hydrophobic and biphilic evaporators in moderate to high heat flux applications[J].Applied Thermal Engineering， 2018（130）：83-92.