一種新型平板式微熱管的提出

韓東 張曉夫 金志浩

【摘要】在電子元件高速發(fā)展的時代，各行行業(yè)對電子元件體積的要求越來越小，所以直接導(dǎo)致了元件單位面積的發(fā)熱量急劇增加，尤其是在一些高熱流密集元件中，良好的散熱問題是關(guān)系著電子器件設(shè)計成功與否的標(biāo)志。目前市場上最常見的是以強(qiáng)制空氣作為冷卻方式的微處理器散熱技術(shù)，但他處理最佳效果也就維持在60%左右，筆者就針對當(dāng)前散熱市場發(fā)展現(xiàn)狀，結(jié)合自己的實際工作，提出一種新型平板式微熱管并對其進(jìn)行了結(jié)構(gòu)設(shè)計，選用銅絲作為吸液芯結(jié)構(gòu)，封閉殼體材料選用銅，乙醇作為工作液體，以其達(dá)到良好的工作效率。

【關(guān)鍵詞】銅絲；散熱；新型平板式微熱管；溝槽結(jié)構(gòu)

小型制冷設(shè)備中使用的冷凝器主要有風(fēng)冷式冷凝器和水冷式冷凝器兩種，主要部件有電機(jī)（壓縮機(jī)、風(fēng)機(jī)等用）、操作開關(guān)、電磁接觸器、連鎖繼電器、過電流繼電器、熱動過電流繼電器、溫度調(diào)節(jié)器、濕度調(diào)節(jié)器、溫度開關(guān)（除霜、防止結(jié)凍等用）。壓縮機(jī)曲軸箱加熱器，斷水繼電器，電腦板及其它部件組成。在傳統(tǒng)的應(yīng)用熱管散熱之中熱管大多為長條圓柱型，使得與平面類電子元件間換熱面積不如平板式微熱管的效果好。

1、新型平板式微熱管

本文所設(shè)計的新型平板式熱管，它包括封閉殼體、吸液芯、隔板以及液體工質(zhì)。封閉殼體包括下板、側(cè)板和上板。殼體的內(nèi)部空腔被抽成真空，并灌注一定量的液體工質(zhì)。吸液芯結(jié)構(gòu)由銅絲分別與下板、隔板和銅絲形成鋒利的尖角區(qū)代替，鋒利的尖角區(qū)能夠為液體工質(zhì)回流提供較大的毛細(xì)力。平板式微熱管的散熱平面有代溝槽的上蓋板所代替，增大了散熱面積，使平板熱管的散熱特性增強(qiáng)，提高散熱效率。隔板結(jié)構(gòu)的應(yīng)用使得氣、液態(tài)工質(zhì)的流通通道是分開的，這樣就可以避免氣、液工質(zhì)在氣液界面上產(chǎn)生摩擦力。

2、新型平板式微熱管課題的設(shè)計

影響微熱管傳熱性能的因素有很多，但主要因素有如下五點。本文將針對如下五點對新型平板式微熱管進(jìn)行設(shè)計：

1）熱管的工作溫度；2）熱管管殼材料的選擇；3）管內(nèi)具體液體的確定；4）管內(nèi)吸液芯框架構(gòu)建；5）熱管散熱平面的設(shè)計。

2.1管材及熱管工作溫度的選擇

管殼材料的選擇要考慮的因素是相容性、強(qiáng)度和剛度要求，還要考慮經(jīng)濟(jì)性和材料的來源。常用的工質(zhì)有乙醇和水，他們的工作溫度和相容材料如表1所示。而工作溫度指的是工作情況下熱管內(nèi)部的工作液體飽和蒸汽的實時溫度。

表 1 熱管溫度及殼體材料[1～3]

工質(zhì) 工作溫度/℃ 相容殼體材料

乙醇 0～130 銅、不銹鋼

水 30～250 銅、碳鋼（內(nèi)壁經(jīng)化學(xué)處理）

因新型平板式熱管應(yīng)用于電子元件的散熱，故工作溫度選擇在0～100℃。筆者結(jié)合工作實際，在總結(jié)了前期工作經(jīng)驗的基礎(chǔ)上，選擇了以銅作為熱管的殼體材料。由于銅的導(dǎo)熱系數(shù)為385W/m/℃，屬于熱的良導(dǎo)體，加上紫銅還有耐腐蝕，質(zhì)地又相對比較柔軟，所以加工和裁減都比較方便。

2.2熱管工質(zhì)的選擇

熱管作為一種高效的換熱元件，具有結(jié)構(gòu)緊湊、體積小、換熱器進(jìn)出口壓降低及無需消耗輔助動力等優(yōu)點，所以，工質(zhì)的各種物理性質(zhì)對于熱管的工作特性有著至關(guān)重要的影響。一般良好的工質(zhì)具有如下特性：

1）在熱管的工作溫度范圍內(nèi)有適當(dāng)?shù)娘柡驼羝麎海?）汽化潛熱能高；3）浸潤性能好；4）管殼材料與管芯能夠長期相容；5）其他因素（包括環(huán)保、毒性、經(jīng)濟(jì)性等）。

熱管工質(zhì)一般情況下都會選擇有乙醇和水，乙醇飽和蒸汽壓比較適合，加上他有著較好的綜合物理特性，同時還能與銅絲結(jié)構(gòu)的吸液芯以及銅材料的殼體都有著較好的相容性，所以我們通常都會選擇乙醇作為微熱管的工作液體。

2.3熱管吸液芯的選擇

吸液芯的選擇是一個復(fù)雜的問題，以為熱管具有多種多樣的吸液芯結(jié)構(gòu)，選擇時需要考慮能提供的滲透率、導(dǎo)熱熱阻、最大毛細(xì)力等。表2所示為幾種吸液芯的比較。

表 2 幾種常見吸液芯的比較

類型＼參數(shù) 溫度范圍 有效毛細(xì)半徑 滲透率 熱阻 可靠性 成本 工藝性 工質(zhì)充裝量

多層網(wǎng) 高、中、低 小 小 小 中 低 好 少

燒結(jié)粉末 中、低 小 小 中 高 中 好 少

軸向槽道 高、中、低 大 中 中 高 低 好 中

槽道+網(wǎng) 高、中 小 中 中 中 中 中 中

基于以上對比，并考慮到上述影響因素本文采用銅絲作為吸液芯結(jié)構(gòu)。

2.4熱管散熱平面的設(shè)計

對于增大散熱平面的設(shè)計，本課題采用增大單位微熱管體積的散熱面積的辦法。具體辦法是在微熱管的散熱平面上制造出相互平行且等腰的溝槽。根據(jù)幾何原理加工后的散熱面面積是加工前的1/sinθ倍，有如下公式：

式中：

S（1） ——加工后散熱平面面積；

S（0） ——加工前散熱平面面積；

θ————溝槽頂角的1/2倍。（θ值取決于平板式微熱管的用途、所在環(huán)境等具體因素）

2.5新型平板式微熱管的設(shè)計

本文提出的一種以銅絲作為吸液芯結(jié)構(gòu)和溝槽代替散熱平面的微型平板式熱管，熱管整體分由四部分組成，分別為：下板、銅絲、隔板及上面帶溝槽的上板。通過板式壓制與焊接方法將這四部分結(jié)合在一起。避免了整體精加工，簡化了制作工藝，降低了制造成本。

3、新型平板式微熱管制造工藝

新型平板式微熱管由封閉殼體、吸液芯、隔板以及液體工質(zhì)組成。在設(shè)計的過程中已經(jīng)對殼體、吸液芯和隔板的材料進(jìn)行了合理的選擇，現(xiàn)在便可以開始制作。制作過程包括以下工藝操作：

（1）機(jī)械加工——（2）清洗——（3）管芯制作——（4）清洗——（5）焊接——（6）檢漏——（7）除氣——（8）檢漏——（9）充裝——（10）封接——（11）烘烤——（12）檢驗

實際制造的時候往往比上述工藝操作繁瑣，有的甚至達(dá)到上百道的工序。這里只簡單介紹一些必須工序。

4、結(jié)論

本文提出了一種新型平板式微熱管，并實現(xiàn)了散熱面積在原單位面積上增大數(shù)倍的溝槽設(shè)計，溝槽的設(shè)計代替平面散熱，增大換熱面積，提高換熱效率。一種以銅絲為吸液芯結(jié)構(gòu)的平板式微型熱管。對于這種新型的熱管具有以下優(yōu)點：由銅絲形成的槽道尖角區(qū)銳利，可以提供較大的毛細(xì)力；氣、液態(tài)工質(zhì)流通通道是分開的，這樣就可以完全避免汽液界面產(chǎn)生摩擦力；銅絲可以排列以形成較多的槽道。

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