槽道微熱管的研究進(jìn)展及其發(fā)展趨勢

楊 旸，魏 昕，謝小柱，胡 偉

1 引言

微熱管技術(shù)是隨著微電子技術(shù)的高速發(fā)展而興起的一門新技術(shù)，它利用工質(zhì)液體在微小空間內(nèi)的相變過程進(jìn)行熱量傳遞，具有優(yōu)越的導(dǎo)熱性能和等溫特性，而且結(jié)構(gòu)簡單、重量輕、體積小，被廣泛應(yīng)用于航空航天、軍用武器、LED照明、計算機(jī)等領(lǐng)域的電子設(shè)備，是有效冷卻高熱流密度電子器件的主要途徑之一，已成為現(xiàn)代散熱技術(shù)重要的發(fā)展方向。槽道微熱管是航天領(lǐng)域應(yīng)用最多的一種熱管，這種熱管是通過在管內(nèi)軸向加工出不同尺寸形狀的微槽道來提供毛細(xì)力。槽道微熱管具有蒸汽槽道互相連通的結(jié)構(gòu)，能夠有效地降低熱管內(nèi)液體和蒸汽反向流動所產(chǎn)生的界面摩擦力，從而使微熱管傳熱性能得到顯著提高。此外，槽道的加工制造工藝簡單，可靠性高，這在空間應(yīng)用中具有極其重要的意義。因此，近年來槽道微熱管受到了國內(nèi)外學(xué)者廣泛的關(guān)注。

2 新型軸向槽道吸液芯結(jié)構(gòu)

隨著熱管技術(shù)的不斷發(fā)展，通過開發(fā)新型吸液芯結(jié)構(gòu)來提高微熱管的傳熱性能、充分發(fā)揮微熱管的最大潛能成為了強(qiáng)化微熱管傳熱的一個研究熱點。近年來，具有各種不同結(jié)構(gòu)的新型槽道微熱管不斷出現(xiàn)。為了解決矩形和三角形微槽道毛細(xì)極限較小，微熱管傳熱受到明顯限制的缺點，文獻(xiàn)[1]提出了星形槽道結(jié)構(gòu)，如圖1所示。菱形槽道結(jié)構(gòu)，如圖2所示。通過增加尖角和狹縫來提高毛細(xì)壓力。通過實驗測試，計算得到星形槽道微熱管和菱形槽道微熱管的有效熱導(dǎo)率達(dá)到277.9W/（m·K）和289.4W/（m·K），具有優(yōu)良的傳熱性能。

受植物葉靜脈傳輸系統(tǒng)的啟發(fā)，文獻(xiàn)[2]開發(fā)了一種具有仿生結(jié)構(gòu)的新型槽道吸液芯，用葉脈狀的分形網(wǎng)絡(luò)和微針肋陣列分別模擬葉脈組織和葉肉組織。實驗結(jié)果表明，這種吸液芯能有效增強(qiáng)工質(zhì)液體的流動，相比于常規(guī)的平行槽道吸液芯液體流動阻力更小、滲透率更大，為新型槽道吸液芯結(jié)構(gòu)的設(shè)計提供了一種新思路。

圖1 星型槽道截面圖Fig.1 Cross-Sectional View of the Star Grooves

圖2 菱形槽道截面圖Fig.2 Cross-Sectional View of the Rhombus Grooves

文獻(xiàn)[3]提出一種新型的應(yīng)用于微熱管的斜齒型微槽道結(jié)構(gòu)，如圖3所示。以提高軸向槽道吸液芯的毛細(xì)壓力作用。理論分析和實驗測試的結(jié)果表明，斜齒型微槽道結(jié)構(gòu)提供的毛細(xì)壓力比矩形微槽道結(jié)構(gòu)大；斜齒型槽道微熱管的啟動性能和等溫性能均優(yōu)于矩形槽道微熱管，且能降低冷凝段末端以下的壁面溫度。

圖3 斜齒型微槽道SEM圖Fig.3 SEM Image of Skewed Micro-Groove

3 槽道微熱管傳熱性能的研究

目前，國內(nèi)外研究人員主要通過理論分析法、實驗法或者兩者結(jié)合的方法對槽道微熱管進(jìn)行理論和實驗研究。

3.1 理論研究

對槽道微熱管的理論分析，一般是通過數(shù)學(xué)建模和軟件模擬的方法研究各項參數(shù)對管內(nèi)液體流動、傳熱傳質(zhì)的影響，如接觸角、槽道尺寸、工質(zhì)種類、工作傾角等。其中，借助軟件建立微熱管傳熱模型，分析優(yōu)化管內(nèi)流場和溫度場是近年來的研究熱點。

文獻(xiàn)[4]對槽道微熱管進(jìn)行了理論研究，建立流體動力學(xué)模型和傳熱模型。流體動力學(xué)模型考慮槽道中液體層的幾何形狀，研究了蒸汽通道水力半徑和蒸發(fā)面長度對微熱管傳熱的影響。傳熱模型中，在蒸發(fā)段和冷凝段將液膜分為三個區(qū)域，由三個并聯(lián)電阻表示，預(yù)測了微熱管的最大傳熱能力，并通過實驗進(jìn)行驗證。結(jié)果表明，模型預(yù)測的結(jié)果與實驗結(jié)果較吻合。文獻(xiàn)[5]建立并完善梯形槽道微熱管的兩相流穩(wěn)態(tài)模型及導(dǎo)熱模型，全面考慮了壁面剪切力和氣液界面剪切力的影響，分析了管內(nèi)汽液壓力、彎月面半徑沿軸向的變化情況，及接觸角角度對微熱管傳熱量的影響。該研究為不同槽道形狀的微熱管理論模型的修正提供了參考。

文獻(xiàn)[6]使用ANSYS熱分析軟件，在充分考慮氣-液界面摩擦對微熱管傳熱性能影響的同時，建立矩形槽道微熱管工質(zhì)流動和傳熱數(shù)學(xué)模型，仿真得到微熱管沿軸向的溫度分布情況。結(jié)果表明，微熱管表面中心點的溫度迭代計算值與軟件模擬值的誤差僅有5.27%。因此，該研究對微熱管的理論分析具有指導(dǎo)意義。

3.2 實驗研究

對槽道微熱管的實驗研究大部分是以應(yīng)用為目的，針對槽道形式和尺寸、工質(zhì)種類、充液率和工作傾角等方面展開。實驗研究結(jié)果對于理解槽道微熱管的傳熱傳質(zhì)過程、管內(nèi)液體工質(zhì)流動等復(fù)雜的現(xiàn)象有很大的幫助。

文獻(xiàn)[7]研究了工質(zhì)種類對槽道微熱管傳熱性能的影響，通過實驗探究不同充液率下，不同工質(zhì)種類對槽道微熱管的熱阻、兩端溫差及極限功率等參數(shù)的影響。研究表明，丙酮微熱管兩端溫差受充液率的影響較大，在相同的情況下需要更高的充液率；乙醇微熱管的等溫性能較差，但充液率小的乙醇微熱管熱阻較小；水微熱管的極限功率最高，充液率為100%的傳熱性能最佳，適合應(yīng)用于高功率的場合。

文獻(xiàn)[8]研究了應(yīng)用于LED散熱的槽道微熱管在不同溫度和不同充液率下微熱管的傳熱性能。研究表明，當(dāng)輸入功率為1W時，充液率較高時微熱管的傳熱性能較好；隨著輸入功率的提高，最佳充液率從30%增至48%，且到達(dá)穩(wěn)態(tài)的時間減少；當(dāng)輸入功率為2.5W時，只有充液率為48%的LED設(shè)備可以正常工作。

文獻(xiàn)[9]研究了球形、方形、圓柱形納米顆粒組成的丙酮基Al2O3納米流體對槽道微熱管傳熱性能的影響。研究表明，使用上述三種納米流體作為工質(zhì)的微熱管，比純丙酮工質(zhì)微熱管的熱阻分別減小了約33%、29%、16%，證明了納米流體工質(zhì)中納米顆粒的形狀會影響微熱管的熱阻，從而影響微熱管傳熱性能。

4 槽道吸液芯制備方法的研究

對于槽道微熱管而言，槽道吸液芯毛細(xì)壓力的大小是制約微熱管傳熱性能的關(guān)鍵因素。槽道吸液芯的制備方法在一定程度上決定了吸液芯毛細(xì)壓力的大小，從而影響微熱管的傳熱性能。近年來，出現(xiàn)了一些制備槽道吸液芯的新方法。

文獻(xiàn)[10]通過電鑄和化學(xué)沉積技術(shù)在硅基板表面加工出直徑為（30～100）μm、高度為（30～120）μm 的納米銅柱陣列結(jié)構(gòu)，如圖4所示。提高了臨界熱通量和有效導(dǎo)熱系數(shù)。通過化學(xué)氧化處理，可以增強(qiáng)表面的親水性，改變其潤濕性能。此外，通過實驗研究證明了這種結(jié)構(gòu)有助于提高水的浸潤性并增強(qiáng)毛細(xì)壓力。

圖4 納米銅柱陣列SEM圖Fig.4 SEM Image of Nanostructured Cu Microposts

文獻(xiàn)[11]提出新型擠壓-犁削加工方法，采用W18Cr4V多齒刀具在銅管內(nèi)壁加工微槽道。制造過程中由于刀具的擠壓，會形成主槽道和二次槽道，兩者并聯(lián)形成一種組合微槽道，如圖5所示。實驗測試表明，這種新型槽道微熱管表現(xiàn)出理想的等溫性能和優(yōu)良的熱響應(yīng)速度。

圖5 擠壓-犁削成形后的組合微槽道Fig.5 Micro Compound Groove After Extrusion-Ploughing Forming

文獻(xiàn)[12]發(fā)明了一種微細(xì)電解加工裝置，如圖6所示。通過變截面多線螺旋電極的正反兩次旋轉(zhuǎn)進(jìn)給，在微熱管的內(nèi)表面電解形成不同尺寸、不同形狀的復(fù)雜非連續(xù)微槽道結(jié)構(gòu)，有利于冷凝液表面張力發(fā)揮作用和液體的沸騰，改善了微熱管的導(dǎo)熱性能。

圖6 非連續(xù)微槽道結(jié)構(gòu)電解加工裝置Fig.6 The Electrochemical Processing Device of Non-Continuous Microstructure

文獻(xiàn)[13]采用波長為1064nm的短脈沖光纖激光在銅金屬表面進(jìn)行刻槽，加工出深度為100μm、寬度為30μm的微槽道，該深寬比的微槽道能提供較大的毛細(xì)壓力。此外，通過激光的輻照作用可以實現(xiàn)銅基板表面的親水化表面改性，進(jìn)一步增強(qiáng)了微熱管的毛細(xì)回流能力，提高了微熱管的傳熱能力。

5 槽道微熱管研究中待解決的問題

槽道微熱管作為熱管技術(shù)領(lǐng)域中重要的發(fā)展方向和研究熱點，國內(nèi)外學(xué)者從實驗研究和理論研究兩方面對其進(jìn)行了大量的研究，取得了較大進(jìn)展，但仍存在一些待解決的問題，主要有以下幾方面。

（1）槽道微熱管涉及多相流、相變傳熱等多個復(fù)雜領(lǐng)域，微熱管內(nèi)工質(zhì)流動和傳熱過程等相關(guān)理論還不健全。一些數(shù)值模擬往往采用簡化模型對微熱管進(jìn)行處理，用一種非線性導(dǎo)熱體代替，而未深入研究其內(nèi)部工作狀態(tài)。

（2）受計算能力的限制，大部分槽道微熱管的理論模型還停留在一維或者二維模型，并且只是經(jīng)驗公式，得到的計算結(jié)果不能反映實際的物理過程。雖然已有學(xué)者建立了復(fù)雜的三維模型來分析槽道微熱管，但研究不夠深入，尚待加強(qiáng)。

（3）現(xiàn)有研究中，假設(shè)氣相工質(zhì)在蒸汽腔內(nèi)流動，而液相工質(zhì)全部在槽道內(nèi)流動，相變發(fā)生在槽道與蒸汽腔的交界面處，假設(shè)汽液兩相流為層流狀態(tài)，且兩相物性參數(shù)均為常數(shù)，與實際運行狀況有一定差異。

（4）對于不同槽道結(jié)構(gòu)的理論與實驗研究多采用三角形、矩形和梯形等常規(guī)槽道，對于如“Ω”形等新型槽道微熱管的研究較少，對其傳熱機(jī)理探究不夠深入。

6 結(jié)語

槽道微熱管憑借其結(jié)構(gòu)簡單、傳熱性能優(yōu)越、等溫性能優(yōu)良等優(yōu)點，在航空航天、軍用武器、LED照明等眾多領(lǐng)域展現(xiàn)出了廣闊的應(yīng)用前景。盡管在槽道微熱管領(lǐng)域已經(jīng)取得了一定的研究成果，但尚有很多問題有待解決，今后的研究方向?qū)⒅饕獋?cè)重于以下幾個方面：（1）開發(fā)新的微熱管材料和槽道制備技術(shù)，優(yōu)化和創(chuàng)新槽道微熱管的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，減小其換熱熱阻，增大其毛細(xì)壓力，提升其傳熱性能；（2）對微尺度下的工質(zhì)流動和傳熱過程建立更復(fù)雜的三維理論模型，深入研究槽道微熱管內(nèi)部換熱機(jī)理，尤其針對傳熱傳質(zhì)耦合這一研究匱乏的領(lǐng)域進(jìn)一步探索；（3）結(jié)合傳熱傳質(zhì)學(xué)、微尺度、微通道、非平衡熱力學(xué)等理論，針對槽道微熱管建立普遍適用、可靠準(zhǔn)確的理論模型，促進(jìn)槽道微熱管理論的發(fā)展和應(yīng)用。隨著槽道微熱管研究的不斷深入，槽道微熱管的傳熱理論必將日趨完善，工作性能將逐漸提高，從而滿足目前電子元器件熱流密度日益增大的散熱要求。