泡沫銅式和微槽式均溫板散熱性能的對比研究

張東輝,周 麗,王劍橋,史國進,2,吳明發(fā)

(1.江蘇科技大學(xué) 能源與動力學(xué)院, 鎮(zhèn)江 212003) (2.杭州大和熱磁電子有限公司, 杭州 310053)

均溫板在電子器件散熱領(lǐng)域已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用．均溫板利用工質(zhì)的相變過程[1],通過潛熱的吸收與釋放,達到高效傳熱的目的．并能把高熱流密度“熱點”的熱量有效地均勻分散開,展平成為一個相對均勻的溫度場．如何制作尺寸更小,更薄,更大傳熱極限的均溫板,是電子器件散熱領(lǐng)域一個亟待解決的問題．毛細芯的結(jié)構(gòu)對平板熱管均溫器內(nèi)部的工質(zhì)循環(huán)和相變換熱有著極大影響[2]．

近些年,國內(nèi)外在均溫板方面的研究取得了很多進展．文獻[3]中比較了紅銅板和均溫板兩者擴散熱阻的差異,均溫板尺寸為250 mm×200 mm×2 mm,加熱面積為100 mm×50 mm,毛細結(jié)構(gòu)為燒結(jié)銅粉,工作流體為水,利用紅外線攝影技術(shù)取得蒸發(fā)表面溫度,溫差皆在3℃以內(nèi),當(dāng)熱通量達到28 W/cm2時,均熱板擴散阻值大約是同尺寸銅板的1/40,充分顯示出均溫板具有較佳的熱擴散能力．文獻[4]中多尺度的泡沫銅吸液芯的制作是以復(fù)合電鍍和后續(xù)加熱的方法獲得．吸液芯里包含各種尺寸的孔隙，為5～300 μm，這種吸液芯能夠降低流動阻力,增大了毛細芯的抽液量．效果明顯優(yōu)于傳熱吸液芯．文獻[5]中提出了復(fù)合毛細芯結(jié)構(gòu),以解決毛細力與流動阻力的協(xié)調(diào)矛盾，這一考慮目前也已得到廣泛應(yīng)用[6-7]．文獻[8]中提出一種均溫板設(shè)計,上板冷凝區(qū)毛細結(jié)構(gòu)為厚度1 mm的145網(wǎng)目燒結(jié)銅網(wǎng),下板毛細結(jié)構(gòu)為單層燒結(jié)粉末,內(nèi)部除了支撐銅柱外,并在蒸發(fā)區(qū)布置直徑為150微米的燒結(jié)銅柱, 以縮短冷凝液回流路徑,此結(jié)構(gòu)設(shè)計可使其傳熱極限達到約380 W/cm2,而最低蒸發(fā)熱阻為0.05kW/cm2．文獻[9]中對超輕泡沫金屬為吸液芯的不同工質(zhì)的平板熱管的傳熱性能進行了研究,實驗表明，以吸液芯制作的平板熱管,可以很大地提高其導(dǎo)熱效率和傳熱極限．文獻[10]中通過對實驗結(jié)果的分析表明,有限空間內(nèi)沸騰—凝結(jié)共存的相變傳熱過程,但當(dāng)蒸汽腔高度變得非常小時,液面在汽泡的破裂攜帶等影響下很容易接觸到冷凝面,同時在表面張力的作用下,會形成不連續(xù)的“液橋”,這一現(xiàn)象對凝結(jié)換熱不利,沸騰和凝結(jié)換熱都受到了一定程度的抑制,使得沸騰和凝結(jié)表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)變?。ㄟ^對傳熱特性的分析,表明決定傳熱的關(guān)鍵環(huán)節(jié)是凝結(jié)傳熱，這是一個非常重要的發(fā)現(xiàn)．目前很多均溫板相關(guān)研究的重心都是關(guān)注蒸發(fā)側(cè)熱阻,比較忽略冷凝側(cè)的傳熱．從目前均溫板的研究進展來看,主要在于:① 復(fù)合毛細芯的應(yīng)用,通過大小不同孔徑的毛細芯組合,以協(xié)調(diào)均溫板毛細力和流動阻力之間的矛盾;② 多孔柱的應(yīng)用,在冷凝面和蒸發(fā)面之間燒結(jié)多孔柱,不僅可以進一步提高均溫板的強度,而且更重要的是,大大縮短了均溫板的冷凝液回流路徑,這對提高均溫板的性能是有益的;③ 均溫板的厚度呈越來越薄的傾向,這對制程提出很高的要求[11].文中對微槽式和毛細芯式均溫板的制備和性能進行了研究,毛細芯式均溫板采用新型泡沫銅[12-13]材料作為毛細芯．然后對微槽式和泡沫銅均溫板進行了系統(tǒng)的性能測試,研究其軸向熱阻、并和市售均溫板的性能進行了對比．

1 均溫板制備與實驗測試系統(tǒng)

1.1 均溫板性能測試系統(tǒng)

實驗測試系統(tǒng)主要由壓力加載系統(tǒng)、電加熱熱源系統(tǒng)、冷卻水路系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集輸出系統(tǒng)等組成(圖1).實驗臺架中的壓盤可以將冷卻水套與均溫板緊密接觸,彈簧測力計可反映壓載力的大小,從而降低其接觸熱阻．均溫板性能測試中,冷凝端采用冷卻水套來進行冷卻．以了解均溫板測試過程中冷凝端帶走的熱量．冷卻水套的前端設(shè)置了流量為6～60 L/h的玻璃轉(zhuǎn)子流量計．冷卻水套的外部采用了石棉保溫層包裹以減少熱量的散失．均溫板測量采用加熱銅塊作為模擬熱源,加熱銅塊底部布設(shè)多根加熱棒,每根加熱棒的最大加熱功率為150 W,并可通過變壓器調(diào)節(jié)加熱功率．加熱銅塊周圍采用絕緣電木盒進行保溫．?dāng)?shù)據(jù)采集主要選用K型熱電偶采集溫度信號,通過智能巡檢儀與電腦連接,收集整理數(shù)據(jù)．智能電量測量儀型號為PF9901,用來測量加熱功率,測量范圍為0～3 000 W,主要包括MCGS數(shù)據(jù)采集監(jiān)控軟件、計算機、優(yōu)倍智能巡檢儀、RS232、RS485串口轉(zhuǎn)換器以及熱電偶,其他測量儀器的型號如表1．

1—加熱棒; 2—加熱銅塊; 3—熱電偶線; 4—保溫層;5—均溫板;6—冷卻水套; 7—功率表; 8—調(diào)壓器;9—巡檢儀; 10—計算機圖1 均溫板實驗測試系統(tǒng)Fig.1 Experimental system of vapor chamber表1 設(shè)備參數(shù)Table 1 Equipment parameters

信號采集程序可以對每一個熱電偶的數(shù)據(jù)進行實時動態(tài)顯示以及輸出,所以能實時監(jiān)控任何一個熱電偶．實驗過程中通過觀察監(jiān)控軟件來觀測均溫板的運行狀態(tài)．可以調(diào)整加熱功率、冷卻水流量,當(dāng)均溫板達到穩(wěn)定運行狀態(tài)時,測得的數(shù)據(jù)將自動保存，巡檢儀每20 s記錄保存一次,為實驗結(jié)果的后續(xù)處理和分析提供原始材料．

1.2 微槽式和毛細芯式均溫板的制備

均溫板殼體材料選用紫銅,采用去離子和除氣水作為工質(zhì)．微槽式均溫板是指以微槽作為吸液芯的均溫板,在均溫板的徑向上以微型微槽提供毛細力,將冷凝回來的工質(zhì)輸送到中心加熱區(qū)域．在均溫板的上下板面上加工出來的槽道即為吸液芯結(jié)構(gòu),呈現(xiàn)出由中心向四周輻射的形狀．課題中微槽式均溫板是采用CNC雕刻機方式來加工,槽道截面為矩形, 具體結(jié)構(gòu)如圖2,不同微槽式均溫板的幾何參數(shù)如表2，由表中可知，微槽深寬比約為1.0～2.0．均溫板冷凝側(cè)均選用同一上板．考慮到抽真空之后均溫板的結(jié)構(gòu)強度問題,上板加工了均勻分布的支撐柱．均溫板長寬均為100 mm, 總厚度為4.5 mm,其中空腔部分為1.8 mm,上板壁厚1.2 mm,下板壁厚1.5 mm．

圖2 微槽式均溫板結(jié)構(gòu)微槽分布示意Fig.2 Groove distribution of grooved vapor chamber表2 均溫板微槽尺寸Table 2 Groove size of vapor chamber

微槽上板微槽1號下板微槽2號下板微槽3號下板總厚度/mm31.51.51.5槽深/mm0.50.50.50.5槽寬/mm20.30.50.5槽數(shù)量18484860

毛細芯均溫板其毛細芯采用泡沫銅．其孔隙率分別為65%、85%．泡沫銅厚度為0.6 mm．在毛細芯與均溫板燒結(jié)結(jié)合之前,確認泡沫金屬表面潔凈且無氧化變質(zhì)等現(xiàn)象,并將吸液芯裁剪成所需形狀,將其放入已經(jīng)加工好的銅板中,并壓緊燒結(jié),使其燒結(jié)后能夠緊密的與銅板結(jié)合．均溫板的制備主要工序有:清洗、泡沫銅吸液芯的燒結(jié)、上下板和充注管的焊接、對其進行檢漏、充注、抽真空再焊接封口．燒結(jié)是最為關(guān)鍵的步驟,本實驗采用釬焊爐,對均溫板進行多次燒結(jié),首先燒結(jié)均溫板與泡沫銅,使泡沫銅與上下蓋板緊密結(jié)合,然后進行第二次燒結(jié),將均溫板的上下蓋板燒結(jié)結(jié)合,以及充注管與腔體的焊接．然后,在自動充注系統(tǒng)上充入規(guī)定額量的水,抽真空至133.3～1 333 Pa,最后進行封口焊接．

圖3 放大100倍兩種泡沫銅的微觀形貌Fig.3 Microstructure of two copper-foamswith magnified 100

1.3 可視化實驗系統(tǒng)

可視化實驗是為了驗證在均溫板在工作狀態(tài)下的運行情況．觀測均溫板在正常工作情況下的沸騰情況,可以為對均溫板工作運行情況下的機理提供依據(jù)．可視化均溫板的吸液芯的孔隙率為80%．熱流密度為2.2～13.3 W/cm2,用高清攝像機拍攝其內(nèi)部工作情況．可視化均溫板觀測系統(tǒng)主要包含電加熱系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)、保溫部分、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、光源與高速攝影系統(tǒng)．可視化實驗中的均溫板采用“三明治”設(shè)計:不銹鋼框架、亞克力板和紫銅底板(圖4)．上蓋板采用亞克力板,通過螺栓與下蓋板結(jié)合,底部銅板與亞克力板之間采用丁晴橡膠作為密封圈．在封裝前,對亞克力上蓋板采用了親水膜的處理,以減少水珠在亞克力板表面的凝結(jié)．在底板內(nèi)表面加工微槽或燒結(jié)泡沫銅,作為其吸液芯．封裝后進行抽真空注液處理．需要注意的是,為方便觀察,長條形冷凝水套布置在均溫板底部的兩側(cè)．

實驗采用Olympus高速攝影儀觀察均溫板內(nèi)部運行狀況．由恒溫水槽提供一定流量的冷卻水,設(shè)定入口冷卻水水溫為15℃,其誤差為±0.2℃．其整體測試系統(tǒng)如圖5．可視化實驗時,底部加熱銅塊面積為2.25 cm2,實驗熱流密度為0～50 W/cm2．

2 實驗結(jié)果分析

2.1 均溫板軸向熱阻

實驗對制備的均溫板進行了性能研究,其毛細芯結(jié)構(gòu)依次為1號48微槽數(shù)(深寬比為1.6)、2 號48微槽數(shù)(深寬比為1.0)、3 號60微槽數(shù)(深寬比為1.0)和泡沫銅2號(孔隙率為85 %)、泡沫銅3號(孔隙率為65 %),并與市售均溫板(尺寸為100 mm×100 mm×3 mm)進行了比較．冷卻水套冷卻水的流量為20 L/h,進水溫度為15℃,環(huán)境溫度18℃．各均溫板的充注量需根據(jù)孔隙(或微槽)的體積確定, 如表3．根據(jù)文獻中可視化研究的結(jié)果表明[8],充注率過大,均溫板蒸發(fā)面上的沸騰過程是池沸騰模式;當(dāng)充注率逐漸減小時,沸騰過程是薄液膜蒸發(fā)模式,其換熱性能優(yōu)于池沸騰模式．但充注率過小,容易引起蒸發(fā)面的干涸．實驗中所制備的均溫板充注率在45%～100%．均溫板性能測試從10 W開始,每次提升10 W,直到分別加熱至120 W,每次穩(wěn)定時間約30 min．如表5、6，列出了各組實驗的輸入功率已經(jīng)經(jīng)過計算得到的冷凝散熱量．對于所制備的均溫板,一般當(dāng)加熱到100～120W時,熱阻會明顯升高,這意味著已經(jīng)達到均溫板的傳熱極限．

表3 各均溫板的充注量Table 3 Filling quantity of each vapor chamber

表4 均溫板各毛細芯提供的毛細壓差力(Pa)和滲透率Table 4 Parameters for all kinds of vapor chambers

表5 2號泡沫銅均溫板實驗加熱功率表Table 5 Experiment heating power meter of the No.2copper foam vapor chamber

表6 3號泡沫銅均溫板實驗加熱功率表Table 6 Experiment heating power meter of the No.3copper foam vapor chamber

均溫板軸向熱阻定義為:

(1)

式中:To為加熱塊頂部溫度;Tc為均溫板冷凝器面平均溫度;Q為加熱功率,由于系統(tǒng)存在散熱,實際通過均溫板小于加熱功率,這里加熱功率按照冷卻水進出口溫差計算．

各均溫板的軸向熱阻性能如圖6,從整體趨勢看,泡沫銅均溫板熱阻最小,性能較優(yōu).熱阻R在0.2 K/W左右,特別是當(dāng)加熱功率Q高于60 W時,兩種泡沫銅板的熱阻是所有均溫板中最小的;而微槽式均溫板,熱阻性能差異比較大,微槽1號板性能較好,特別是在加熱功率低于60 W時, 熱阻是所制備的均溫板中最小的．微槽2號板性能最差．實驗制備的泡沫銅均溫板性能整體高于市場購買的均溫板,僅微槽2號板其性能遜于購買的均溫板．根據(jù)泡沫銅和微槽的結(jié)構(gòu)參數(shù),計算了所制備的均溫板滲透率和毛細壓差力的大小,如表3．由于抽真空過程基本一致,因此,影響均溫板性能的主要是毛細壓差力、滲透率和充注率．從3號泡沫銅板的情況看,盡管其滲透率較低,但由于毛細力最大,傳熱性能比較好．因而,可認為毛細壓差力是對影響均溫板性能非常重要的因素．這從三種微槽式均溫板的性能對比也可得以佐證,微槽1號板與其他兩種微槽板主要差異在于充注率和毛細力,由于微槽1號板的槽道水力直徑較小,使得驅(qū)動冷凝液回流的毛細壓差力較大,從而使微槽式均溫板的性能得以提升．而充注率在其中的影響,則需要進一步的研究．微槽3號板盡管槽道數(shù)最多,滲透率很大,但熱阻卻較高,與其充液率較低存在一定的關(guān)聯(lián)．

圖6 均溫板的軸向熱阻Fig.6 Axial thermal resistance of vapor chamber

圖7、8分別為1號微槽板和2號泡沫銅板的熱阻變化．熱阻R分別以總加熱功率Q和冷凝水套進出口水溫溫差計算,可以看到,前者遠低于后者．當(dāng)加熱功率不斷增加時,均溫板的熱阻緩慢上升．對于1號微槽板,當(dāng)加熱功率到達102 W以后,其熱阻迅速增加,這意味著均溫板已失效;而對于2號泡沫銅板,當(dāng)加熱功率到達125 W后,均溫板失效．

2.2 可視化實驗結(jié)果

對于2號泡沫銅均溫板,首先進行了充液率為30%的觀察實驗．當(dāng)輸入熱流密度為7 W/cm2,觀察結(jié)果如圖9．

圖9 均溫板蒸發(fā)面干涸區(qū)域變化Fig.9 Dryout area variation diagram of vaporchamber evaporating surface

對于蒸發(fā)面加熱中心區(qū)域,可明顯觀測到干涸現(xiàn)象,隨著加熱時間的變化,干涸邊界線明顯出現(xiàn)下移,原本濕潤區(qū)變干;當(dāng)熱流密度至12 W/cm2,干涸速度變快,但仍然觀察不到池沸騰現(xiàn)象,而是一種典型的薄液膜蒸發(fā)現(xiàn)象[8]．當(dāng)充液率為100%時,如果加熱功率低于8 W/cm2,并無池沸騰現(xiàn)象的發(fā)生,表明蒸發(fā)面的換熱是屬于薄液膜蒸發(fā)機制;但高于8 W/cm2后,觀察結(jié)果如圖10.

圖10 多孔毛細芯表面孔隙中液面脈動過程Fig.10 Pulse process of Liquid level inthecopper foam vapor chamber

其中白點區(qū)域是水珠在LED光源照射下的反光,黑色區(qū)域代表多孔芯的孔隙,灰色區(qū)域代表多孔芯的骨架．在加熱過程中,白點在孔隙區(qū)域一上一下閃耀,一個變化周期T為0.026 s，意味著液位在孔隙中脈動升落,高速攝影系統(tǒng)以500 fps的速度拍攝．屬于毛細芯中間的液位出現(xiàn)脈動的現(xiàn)象,這意味著蒸發(fā)面中心區(qū)域出現(xiàn)了池沸騰現(xiàn)象,液位的升落是由多孔芯內(nèi)部氣泡的膨脹和破裂所致．對于1號微槽式均溫板內(nèi),其充液率為100%,采用高倍攝影系統(tǒng)對其內(nèi)部運行情況進行了觀察,放大倍數(shù)為200倍．實驗中,當(dāng)加熱功率是10 W時,可清楚觀察到冷凝水向充液中心聚集而后被吸進槽道;當(dāng)加熱到25 W后,亞克力板變形并向中間凹陷,冷凝液中心積液較多．此時仍不能看到明顯的氣泡,即池沸騰現(xiàn)象不明顯;而當(dāng)加熱功率到45 W時,能夠看到微槽內(nèi)的水不斷產(chǎn)生氣泡,速率非?？?圖11)，與此同時,亞克力板四周結(jié)露速度亦很快．此時均溫板內(nèi)應(yīng)發(fā)生了劇烈的池沸騰現(xiàn)象．

圖11 微槽式均溫板內(nèi)的沸騰過程Fig.11 Boiling process of grooved vapor chamber

3 結(jié)論

(1) 泡沫銅均溫板的傳熱性能優(yōu)于微槽式均溫板,不同熱流密度下的軸向熱阻與市售均溫板相當(dāng)．在未失效前,均溫板熱阻達到0.2 K/W;

(2) 影響均溫板性能的主要是毛細壓差力、滲透率和充注率．毛細壓差力的提高對均溫板的性能提升有著顯著的效果;

(3) 在可視化實驗中,對于泡沫銅均溫板,當(dāng)充液率和熱流密度較低時,蒸發(fā)面的傳熱主要是薄液膜蒸發(fā)機制;而當(dāng)充液率和熱流密度較高時,均溫板內(nèi)蒸發(fā)面的傳熱為池沸騰機制．對于微槽式均溫板,當(dāng)熱流密度較高時,能明顯觀察到微槽內(nèi)產(chǎn)生的氣泡,即均溫板蒸發(fā)面的傳熱屬池沸騰機制．

參考文獻(References)

[ 1 ] 姚壽廣, 董招生. 多孔泡沫金屬強化相變傳熱研究進展[J]. 江蘇科技大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版), 2017, 31(4): 448-456.DOI：10.3969/j.issn.1673-4807.2017.04.008.

YAO Shouguang, DONG Zhaosheng.Research progress in phase change heat transfer enhancement of metal foams[J]. Journal of Jiangsu University of Science and Technolgy(Natural Science Edition),2017,31(4)：448-456.DOI：10.3969/j.issn.1673-4807.2017.04.008.(in Chinese)

[ 2 ] 日本熱管技術(shù)協(xié)會.熱管技術(shù)理論實務(wù)[M].依日光,譯.臺南:復(fù)漢出版社, 1986.

[ 3 ] BOUKHANOUF R, HADDAD A, NORTH M T, et al. Experimental investigation of a flat plate heat pipe performance using IR thermal imaging camera[J]. Applied Thermal Engineering, 2006, 26(17): 2148-2156. DOI:10.1016/j.applthermaleng.2006.04.002.

[ 4 ] ZHANG H, PAN Q, ZHANG H. Multi-scale porous copper foams as wick structures[J]. Materials Letters, 2013(106): 360-362. DOI:10.1016/j.matlet.2013.05.092.

[ 5 ] 蘇程裕, 林建宏, 李國穎.具有復(fù)合式微結(jié)構(gòu)的均溫板：ZL 200620115140.4[P].2006.

[ 6 ] 張新銘, 王濟平, 谷沁洋. 孔隙隨機結(jié)構(gòu)對非均質(zhì)多孔泡沫導(dǎo)熱性能的影響[J]. 化工學(xué)報, 2014, 65(3): 879-883.

[ 7 ] LEFéVRE F, LIPS S, RULLIéRE R, et al. Flat plate heat pipes: fRom observations to the modeling of the capillary structure[J]. Frontiers in Heat Pipes, 2012, 3(1)：1-6. DOI:10.5098/fhp.v3.1.3001.

[ 8 ] HWANG G S, NAM Y, FLEMING E, et al. Multi-artery heat pipe spreader: experiment[J]. International Journal of Heat and Mass Transfer, 2010, 53(13): 2662-2669. DOI:10.1016/j.ijheatmasstransfer.2010.02.046.

[ 9 ] 紀獻兵, 徐進良, MARTHIAL A A, 等. 超輕多孔泡沫金屬平板熱管的傳熱性能研究[J]. 中國電機工程學(xué)報, 2013, 33(2): 72-78.

[10] 張廣孟. 封閉有限空間內(nèi)沸騰-凝結(jié)共存相變換熱的研究[D].北京：北京工業(yè)大學(xué), 2014.

[11] 聶宇宏, 梁融, 姚壽廣, 等. LED翅片散熱器傳熱性能研究[J].江蘇科技大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版), 2013, 27(6): 561-564.DOI:10.3969/j.issn.1673-4807.2013.06.011.

NIE Yuhong.LIANG Rong, YAO Shouguang,et al.Research on heat dissipation performance of LED finned radiator[J].Journal of Jiangsu Unveristity Sciences and Technology(Natural Science Edition),2013,27(6):561-564.DOI:10.3969/j.issn.1673-4807.2013.06.011.(in Chinese)

[12] 鄭麗, 李菊香, 朱珉. 泡沫金屬吸液芯熱管的傳熱性能[J]. 化工學(xué)報, 2012, 63(12): 3861-3866.

[13] 康尚文,吳宗謙,平板熱管之研究與可視化觀察[D].臺灣：淡江大學(xué)，2010.