均溫板散熱技術研究進展

萬曉琪，崔曉鈺，謝榮建

（1 上海理工大學能源與動力工程學院，上海 200093；2 中國科學院上海技術物理研究所，上海 200083）

近年來，電子元件越來越呈現(xiàn)出微型化和高功耗的發(fā)展趨勢，如何解決電子元件因高發(fā)熱量而導致性能下降的問題引起了人們的廣泛關注。其中，熱管兩相冷卻設備因相變產生較大的熱導率而成為高效的傳熱器件。伴隨著熱管散熱技術應用領域的持續(xù)擴展，人們已經根據(jù)一些特殊場合要求制造出了多種異形熱管，如脈動熱管、環(huán)路熱管（LHP）、毛細泵抽吸兩相回路熱管（CPL）以及各種微熱管。由于許多設備的表面是平面，為滿足此類設備的散熱需求，1969 年，Sheppard首先設計出一種用矩形斷面的熱管來冷卻集成電路的底板，在此研究基礎上，F(xiàn)eldman 提出了均溫板，將吸液芯結構化，使得工質在吸液芯提供的毛細壓頭作用下能夠實現(xiàn)在密閉空間的循環(huán)流動，獲得了美國專利局的專利授權。隨后，均溫板被廣泛應用于微電子器件、空間熱控制等領域。均溫板由密閉容器、毛細結構和工作流體組成，為保證均溫板具有高效的換熱性能，通常外殼采用熱導率較高的材料，內壁四周附著吸液芯，為滿足耐壓需求，一些均溫板內部設計有實心柱、燒結柱或在實心柱外表面附著吸液芯形成燒結環(huán)，如圖1所示。當均溫板底部施加熱量時，液體隨熱量增加而蒸發(fā)，蒸汽上升到容器頂部產生冷凝，依靠吸液芯回流到蒸發(fā)面形成循環(huán)。均溫板相比于傳統(tǒng)熱管軸向尺寸大大縮短，減小了工質流動阻力損失以及軸向熱阻。同時徑向尺寸有所增加，顯著增加了蒸發(fā)面和冷凝面的面積，具有較小的擴散熱阻和較高的均溫性。這種特殊結構提高了均溫板的散熱能力，使得被冷卻的電子設備可靠性增加，為解決有限空間內高熱流下的均溫性問題提供了新的解決思路。

圖1 均溫板的工作原理

目前，均溫板已經應用在一些高性能商用和軍用電子器件上，隨著加工技術的發(fā)展，均溫板朝著越來越薄的方向發(fā)展。受扁平均溫板內狹小空間的限制，微型吸液芯的結構及制備方法、蒸發(fā)冷凝及工質輸運機理等較普通熱管有所不同，例如：①傳統(tǒng)熱管沸騰和凝結不存在相互干擾，而在均溫板中沸騰和凝結發(fā)生在相距1～2mm 的蒸發(fā)面和冷凝面上，氣泡的行為受到了有限空間的限制，導致傳熱特征發(fā)生了變化；②傳統(tǒng)熱管截面為圓形，強度較高，而均溫板截面為扁平形狀，強度較低。為滿足耐壓需求，在均溫板內部一般設計有一定數(shù)量的燒結環(huán)或燒結柱，可以同時將上下毛細芯連接在一起，縮短回流路徑，加快循環(huán)過程，很大程度上提高均溫板的傳熱性能；③熱管的壓力損失主要包括吸液芯結構層中與管道中的流動壓力損失和重力損失。而均溫板厚度遠小于其寬度，因此工質在厚度方向吸液芯結構層中的流動壓力損失和重力損失可忽略。本文結合國內外研究資料對均溫板關鍵部件吸液芯的結構以及制備方法、均溫板理論計算模型、均溫板性能影響因素（包括工作流體、充液率、熱源分布及工作角度）進行綜述分析，并對其發(fā)展與應用進行展望。

1 吸液芯結構及性能

均溫板依靠內部的吸液芯結構提供凝結液回流的動力，該結構影響了臨界熱流和熱性能。與熱管相比，均溫板尺寸較小，要達到較小溝槽尺寸以及較高的填粉要求比較困難，對此學者們不斷優(yōu)化制備工藝。為使之有更好的換熱特性，新型的微型吸液芯結構不斷被開發(fā)出來，同時對吸液芯進行表面處理，顯著加強了均溫板的綜合性能。

常見的吸液芯結構主要有3 種：微槽道型、燒結粉末型、燒結絲網型。微槽道型是在均溫板壁面加工出溝槽作為回流通道，減小流動阻力，但制備工藝復雜，成本較高；燒結絲網型是將絲網燒結在板的內壁，絲網的孔隙可以控制，具有結構簡單、制造方便、成本低廉等優(yōu)點，缺點是網層間及絲網與管壁之間有間隙而導致熱阻較大，由于超薄均溫板中的吸液芯是以絲網型為主的，該結構將放在第4節(jié)超薄均溫板中一并介紹；燒結粉末型是將金屬粉末直接燒結在板的內壁，能提供較大的毛細力，應用范圍最廣且技術也最成熟，但缺點是滲透性較差。

1.1 微槽吸液芯

溝槽吸液芯是在均溫板內壁加工各種形狀的溝槽制作而成的，利用槽道界面張力的作用使液相工作介質回流而實現(xiàn)吸液芯的功能。而微槽吸液芯的制備是一個技術難點，但近年來取得了較大進展。何艷麗等利用擴散焊分層實體制造技術獲得變形小、可一次焊接成形的深窄槽。槽道寬度為0.4mm，試驗過程在加熱功率為40W、水平放置、加熱過程伴隨風冷的試驗條件下，其最大有效熱導率能達2552.2W/(m·K)。陳亮等利用飛秒激光加工法，獲得了質量良好、槽寬50μm且深寬比達5.4的微槽。根據(jù)飛秒激光光束的光斑特性，通過調節(jié)峰值能量控制焦點附近的激光強度，對飛秒激光的加工區(qū)域進行精確控制，使其加工尺寸突破衍射極限成為可能，為微尺度器件的超精細加工提供了可行性。隨著微槽吸液芯制備技術的發(fā)展，學者們制備出了各類形狀的微槽，常見的微槽如圖2所示。

圖2 常見的微槽結構

為了解決微槽吸液芯毛細極限較小導致傳熱受限的問題，在常見微槽基礎上又發(fā)展出了許多新型的結構。Hung等設計了星形槽道吸液芯，如圖3所示，并比較星形槽道和三角形槽道的幾何參數(shù)，如截面形狀、角頂角尖銳度、角數(shù)、截面面積和總長度對熱管性能的影響。Bahmanabadi 等對新型徑向矩形槽和徑向傾斜三角形槽進行熱阻研究，如圖4所示，發(fā)現(xiàn)溝槽可以通過誘導旋轉運動來增強換熱。相同換熱面積的徑向矩形槽面和徑向傾斜三角形槽面平均熱阻比光滑表面分別提高22.9%和36.13%。

圖3 星形槽道和三角形槽道[12]

圖4 徑向矩形槽和徑向傾斜三角形槽[13]

Li等將圓盤分成一系列相同的扇形區(qū)，在自然分支現(xiàn)象的啟發(fā)下，開發(fā)了一種新的生長模型，如圖5所示，隨著毛細管壓力增大，溫度梯度更加均勻，然而此結構加工十分關鍵，作者所在團隊通過化學蝕刻無法形成具有深窄特征的微通道，最終加工深度僅為0.16～0.24mm，極大地限制了均溫板的性能。最后選用泡沫銅作為吸液芯結構，利用激光雕刻和模具壓印來形成分形結構。Liu 等研究了在不同分形角度下均溫板的性能，當角度接近45°時，均溫板的熱阻較小。

圖5 自然分支微槽結構[14]

1.2 燒結粉末

燒結金屬粉末多孔材料具有質量輕、毛細力大、比表面積大、耐熱耐腐蝕等優(yōu)點，其孔隙率和孔徑大小及分布主要受粉末粒度、形貌和制造工藝的影響。目前大量生產使用的粉末吸液芯原材料主要有銅、鎳、鋁、不銹鋼等，可以根據(jù)不同工況對材料進行選擇。

燒結粉末作為傳統(tǒng)的吸液芯結構，在熱管和均溫板中都有廣泛的應用。其制造工藝在不斷優(yōu)化，尤其是直接影響毛細吸液芯結構質量的填粉工藝。填粉設備逐漸向精確化、自動化方向改進，其中包括對振動參數(shù)的研究、粉體定量填充的研究以及振動填粉設備的研究。對于燒結工藝，控制燒結的時間和溫度十分關鍵。王小鷹研究得到隨著燒結溫度的升高，孔隙率、平均孔徑及滲透率都顯著下降，收縮率增大。燒結時間小于30min時，隨著燒結時間的延長，孔隙率、平均孔徑及滲透率顯著降低。繼續(xù)延長燒結時間，孔隙率及滲透率下降趨勢變緩，而毛細壓力隨著燒結時間的延長先增加后降低。

對于單孔隙燒結毛細芯，燒結粉末的顆粒直徑、孔隙度、燒結層厚度等對均溫板的熱阻都具有較大的影響。黃豆研究了銅粉種類對吸液芯毛細性能的影響，發(fā)現(xiàn)在平均粒徑相同時，不規(guī)則狀銅粉吸液芯燒結后的孔隙率遠大于球形銅粉吸液芯。而吸液芯的毛細性能與吸液芯的收縮率沒有直接的關系，毛細性能主要受吸液芯的孔隙率、滲透率和毛細壓力（有效毛細半徑）的影響。李紅傳等根據(jù)仿生學原理，以天鵝絨竹芋為設計依據(jù)，構建了錐形毛細芯均溫板，兩種錐形結構如圖6所示。錐形毛細芯結構經氧化處理后，總熱阻在不同加熱功率下均有一定程度的降低，最小值可達0.079K/W。

圖6 兩種錐形結構[21]

除了單孔隙吸液芯，目前已有多種不同粒徑、不同材料混合的多孔徑吸液芯被提出，特別是雙孔徑芯，其流動和傳熱性能優(yōu)異，在均溫板中得到了廣泛應用。雙孔芯中既有大孔也有小孔，小孔徑提供大的毛細泵送力，大孔徑減小工作流體在多孔芯內的流動阻力，增加蒸發(fā)面積，有利于蒸汽的排出。銅粉和鎳粉常作為雙層梯度孔吸液芯的原材料，在鎳層中添加一定量的造孔劑以增加吸液芯內工質流動通道，同時采用松裝燒結無壓成型法，依靠粉末自身相互搭架而形成孔洞，獲得的制品孔隙率較高。造孔劑比例和粒徑對其連接強度、線收縮率、孔隙率和毛細抽吸性能有很大影響。Wang等將球狀和枝狀的不同金屬粉末制成多孔芯，如圖7所示，研究了兩種粉末的混合比以及造孔劑的粒徑和體積比對多孔芯的影響。兩種金屬粉末的混合比對臨界熱負荷和蒸發(fā)器壁溫有顯著影響，當球狀鎳粉和枝狀銅粉的混合比達到3∶7 時，造孔劑顆粒直徑為30～45μm，孔隙率為40%時能達到最高臨界熱負荷530W。莫冬傳等從幾何尺寸梯度和潤濕性梯度兩個方面出發(fā)將微米、納米結構結合開發(fā)出多層梯度結構多孔表面來強化沸騰換熱，且將單層的樹林狀梯度結構（可以認為是形成了很多相互貫通的Ω 形槽道）應用于超薄均溫板中，取得了優(yōu)異的均溫效果及傳熱性能。

圖7 鎳銅復合多孔吸液芯的SEM圖[24]

表1對文中提及的槽道和燒結粉末吸液芯的優(yōu)缺點進行了總結。

表1 吸液芯結構分類及其優(yōu)缺點

1.3 復合吸液芯

以上介紹的吸液芯結構特點各異。微槽的滲透性很好但毛細力卻較小，燒結粉末毛細力很大而其滲透性卻較差。復合吸液芯可以結合各類吸液芯的優(yōu)點達到整體最優(yōu)，如多層絲網復合、絲網與粉末復合、粉末與溝槽復合等。

Chen等提出了一種多層復合細網吸液芯，該復合細網吸液芯由粗網和細網不同的層組組合而成，可以提高吸液芯的吸濕性能，從而進一步提高均溫板的熱性能。通過毛細上升率實驗，對其吸液能力進行了評價，結果表明，與多層單網格吸液芯結構相比，多層不同結構的絲網吸液芯性能顯著提高。由3層100目和3層300目組成的吸液芯，其最佳體積流速達14.44mm/s，平衡吸液芯高度達55.98mm。Niu 等以銅粉和銅絲網為主要原料制備了復合吸液芯，研究銅粉粒徑、銅粉體積比、超親水處理對毛細性能的影響。結果表明，銅粉體積比是影響毛細性能效果的最顯著因素。此外，對于超親水性處理后的吸液芯，較小的銅粉顆粒具有較高的滲透性和較好的綜合性能。Wiriyasart 等研究了微槽表面涂覆多孔燒結芯的均溫板，并與無多孔燒結芯的均溫板進行比較。結果表明，微槽內具有多孔燒結芯均溫板的熱工性能比不具有多孔燒結芯的均溫板最高可提高20%。

2 均溫板理論模型

2.1 均溫板基礎理論

隨著均溫板的快速發(fā)展，均溫板的基礎理論研究有了很大的進展。均溫板中沸騰和凝結發(fā)生在相距較近的蒸發(fā)面和冷凝面上，張廣孟認為由于均溫板中沸騰和凝結相互影響，兩種熱管中的經典傳熱模型，即基于對流類比得到的Rohsenow換熱關系式以及包含壓力、壁面粗糙度等眾多因素的Cooper經驗關系式都不再適用于均溫板。提出了新的熱流密度計算式，包含了氣泡脫離頻率、液滴的滴落頻率、單位面積氣泡數(shù)量以及液面距冷凝面的距離等眾多參數(shù)，與實驗結果對比吻合較好。當充液率較大時，均溫板內部液面與凝結表面不斷地接觸形成不連續(xù)的“液橋/液膜”等現(xiàn)象。考慮到液橋表面向周圍氣體的蒸發(fā)會影響液橋的穩(wěn)定性，Harimi等提出了一種預測液橋蒸發(fā)速率的新模型。在此基礎上，結合楊氏拉普拉斯方程，計算了蒸發(fā)過程中液橋的體積、形狀和毛細管壓力。模型預測值與蒸發(fā)液橋實驗數(shù)據(jù)接近，驗證了模型開發(fā)過程中所做的假設和方法的可靠性。該模型用數(shù)學表達式描述了液橋體積、液橋長度和液橋接觸角對蒸發(fā)速率的影響，研究結果有助于更好地理解多孔介質的氣液傳輸。Nguyen等采用基于平行平面間楊氏拉普拉斯方程的精確解析解和毛細管力測量相結合的方法，研究了表面粗糙度對液橋毛細特性的影響，結果表明，隨著粗糙度的增大，潤濕角增大，而液橋的毛細力減小。

對于熱阻網絡，傳統(tǒng)上在等面積換熱條件下進行均勻加熱的熱管系統(tǒng)中通常進行一維熱阻分析。但對于非均勻加熱，如從局部熱點到較大表面的傳熱，或通過急劇變化的面積的情況，一維方法不足以準確預測系統(tǒng)的熱性能。目前開發(fā)出的二維方法考慮擴散熱阻計算整個系統(tǒng)的熱阻網絡，更適用于均溫板，熱阻計算誤差可達10%及更小。均溫板的總傳熱熱阻對厚度變化非常敏感，存在一個臨界均溫板厚度，且隨著厚度的減小，總傳熱熱阻先是緩慢增大，在厚度減小至臨界值以后，總傳熱熱阻快速升高。

2.2 均溫板數(shù)值仿真

目前研究認為和熱管一樣均溫板內部最大熱阻還是在蒸發(fā)和冷凝的液膜區(qū)域。蒸發(fā)段內毛細結構表面形成的彎月面曲率半徑大小直接影響驅動工質循環(huán)的毛細驅動力。因此，建立薄液膜區(qū)和宏觀半月板區(qū)域的傳熱傳質模型十分重要。Avramenko等建立了一種新的液體薄膜毛細管不穩(wěn)定性二維模型，基于邊界層理論和平衡方程在靜止蒸汽條件下求解蒸發(fā)的無擾動速度分量和薄膜厚度。李聰在氣液界面鄰近的計算網格單元中添加質量源來模擬工質蒸發(fā)及冷凝產生的傳質過程，利用開源軟件Surface Evolver 基于梯度下降法計算得到表面自由能達到最小時對應的液膜形態(tài)。為了更精確地捕捉耦合熱輸運、氣液界面的相變以及蒸發(fā)引起的壓力增加，Patankar 等提出三維均溫板輸運模型，采用穩(wěn)態(tài)算法求解物理瞬態(tài)行為。Vadakkan等考慮多熱源的影響，準確預測均溫板中達到傳熱極限的位置，從而優(yōu)化離散熱源間距。當均溫板中的工質完全蒸發(fā)，均溫板會失效，因此準確預測臨界熱通量對均溫板長期穩(wěn)定運行十分重要。液體強烈蒸發(fā)引起平行流動、界面不穩(wěn)定和垂直壁面方向Helmholtz 不穩(wěn)定的共同作用使得均溫板達到臨界熱通量。Huang 等提出了新的臨界熱通量計算模型，包含三個子模型預測模型：計算兩相流參數(shù)分離流模型，計算平行流動蒸汽波臨界波長的界面不穩(wěn)定模型以及垂直于壁面的臨界波長Helmholtz 不穩(wěn)定模型。該模型在各種操作條件如速度和重力的影響下的平均絕對誤差為15.36%。

許多學者對具有不同吸液芯結構的理論預測模型進行了研究。Wang 等提出了一種簡化的數(shù)值模型，研究了燒結粉末吸液芯中孔隙結構和粉末粒徑對均溫板性能的影響。結果表明，吸液芯孔隙率對均溫板性能的影響大于粉末。Fang等采用孔隙尺度的三維lattice Boltzmann 模型和傳熱模型相結合的方法分別研究了凹槽型和微柱型兩種類型吸液芯的瞬態(tài)行為，結果表明，對于凹槽型吸液芯，梯形的凹槽產生的毛細管驅動力最大，其次為直角型，倒梯形最小。對于微柱型吸液芯，減小蒸發(fā)段柱距和增大冷凝段柱距都可以提高熱管的毛細極限。丹聃等采用擴散受限聚集模型對多孔毛細芯進行三維重構，并用有限容積法對模型在穩(wěn)態(tài)導熱條件下的傳熱性能進行了數(shù)值計算，研究表明毛細芯有效熱導率隨孔隙率的增大呈減小趨勢，且在顆粒直徑越小的情況下變化越顯著。另外，為減小熱阻，常對毛細芯進行表面處理，毛細芯的顆粒表面生成一層納米級結構，使粗糙度增加，來提高親水性。其中受粗糙度影響的毛細壓力和滲透率在決定薄膜厚度分布和傳熱中起重要作用。當毛細壓力的作用在兩者中更為明顯時，納米級表面粗糙度會導致一個更平坦的蒸發(fā)彎月面輪廓，并促進蒸發(fā)。然而，當滲透率對薄膜蒸發(fā)的影響更明顯時，納米級表面粗糙度會抑制蒸發(fā)。

綜上所述，均溫板有限空間內的蒸發(fā)冷凝相互影響，因此需要對其機理進行深入研究?；诙S熱阻網絡計算均溫板內部的溫度分布預測精度更高，適用范圍更廣。均溫板散熱的理論研究多為數(shù)學建模，毛細結構表面形成的彎月面曲率半徑大小直接影響驅動工質循環(huán)的毛細驅動力，結合毛細理論研究相變界面蒸發(fā)傳熱模型成為了研究的熱點。近年來學者們利用輸運模型沸騰理論捕捉氣液界面，確定臨界熱通量，分析工質在均溫板內的流動和傳熱的規(guī)律，運用三維lattice Boltzmann 模型、擴散受限聚集模型、孔隙尺度等理論模型對不同結構吸液芯的性能進行預測，總結了均溫板厚度、多孔吸液芯中顆粒直徑及孔隙率、燒結柱直徑及距離的影響，深入研究吸液芯結構表面處理后粗糙度對薄膜厚度的影響機制。

表2總結了以上文獻中的研究目標、特點及公式。通過表2可知，目前研究者普遍認可建立薄膜區(qū)的傳熱傳質模型十分重要，然而目前的仿真結果與實驗數(shù)據(jù)還存在較大差異，因此需要不斷完善理論模型深入研究均溫板的傳熱機理，才能更精確預測均溫板的速度、壓力與溫度的分布。

表2 均溫板數(shù)值仿真研究總結

3 均溫板性能影響因素及相關實驗

3.1 工作流體

工作流體的選擇需要考慮吸液芯和基板材料的兼容性、熱穩(wěn)定性、潤濕性、高潛熱、高導熱性、高表面張力等因素。此外，均溫板操作溫度和壓力限制也十分重要。熱管的應用環(huán)境不同，根據(jù)溫區(qū)可分為低溫、常溫、高溫熱管，工作流體的選用范圍較廣。均溫板主要用于電子設備內部芯片散熱，屬于常溫熱管，常使用水、甲醇、乙醇、丙酮以及納米流體等。

Kim 等將大小為138mm×90mm×4mm 且槽道吸液芯上帶有0.5mm微孔涂層的鋁制均溫板應用于鋰離子電池的熱管理。比較丙酮與HRE-7100兩種工質得到：熱負荷在20W 以內，工質為丙酮的均溫板熱性能均優(yōu)于工質為HFE-7100的均溫板。其中當熱負荷為15W 時，使用丙酮均溫板的平均熱阻為0.118K/W，使用HFE-7100 的平均熱阻為0.406K/W，約為丙酮的3.4 倍。工作流體的潛熱、沸點、表面張力等物性都對均溫板的傳熱性能十分重要，但又因流體的各種物性不同，很難對特定的均溫板做出選擇。Patankar 等提供了一種新的方法，以熱阻最小為設計目標，提出了傳熱系數(shù)與兩個流體特性值（表示液體特性，表示蒸汽特性）之間的簡化分析關系。在給定一組超薄均溫板幾何參數(shù)和操作參數(shù)下通過此關系式選擇合適的工作流體，發(fā)現(xiàn)在相對較高的功率下選擇高流體，較低的功率下則選擇高流體；在均溫板厚度較大時選擇高流體，均溫板厚度較小時則選擇高流體。

設計均溫板時還需要工作液體能夠潤濕管芯和管殼材料，即接觸角非常小。Savino 等對水進行了測試，通過可視化研究發(fā)現(xiàn)蒸汽沿溫度較高的一側移動；還測試了一種表面張力隨溫度升高而增加的自潤濕液體（長鏈醇類），發(fā)現(xiàn)蒸汽將沿溫度較低的一側流動。通過對水和長鏈醇兩種溶液的實驗，證實了與純水相比，自潤濕流體的蒸發(fā)區(qū)含有更多的液體，可以自發(fā)地向溫度較高的區(qū)域供應液體，有利于沸騰傳熱。

隨著納米技術和熱工技術的發(fā)展，利用納米流體強化傳熱的研究越來越受到重視。Kim 等以氧化鋁納米流體為工作流體對半徑為5mm 圓盤形均溫板進行實驗，結果表明，氧化鋁納米流體的溫度分布比去離子水納米流體的溫度分布更加均勻，且隨著納米流體的體積分數(shù)增加，多孔介質可以更有效地傳播熱源的熱量。Pandiyaraj 等制備了尺寸為60mm×60mm×30mm 的均溫板，使用二氧化鈦納米流體為工作流體，在強制對流的條件下進行實驗。結果表明在輸入功率達到80W 時，熱阻顯著減小，且隨著輸入功率的增加，熱阻逐漸增大，并穩(wěn)定在0.25K/W。納米流體通過有效地改善表面的親水性、接觸角和成核位點數(shù)，以達到強化換熱的目的：①納米流體熱導率隨著濃度的增加而增加，臨界熱流密度也會隨之增加。但當納米流體濃度超過適宜濃度時，納米顆粒聚集堵塞成核位點，致使不易成核，甚至惡化沸騰換熱。②納米流體的接觸角與濕潤性有著非常重要的聯(lián)系，一般情況下接觸角會隨著納米流體質量分數(shù)的增大而減小，從而增加表面的濕潤性，延緩蒸發(fā)表面的干燥，進而強化納米流體沸騰換熱。

3.2 充液率

充液率一般定義為工作流體占均溫板內部空間總容積的百分比，但在部分文獻也被定義為工作流體占均溫板總體積的百分比。由于均溫板內部容積較小，目前研究更朝著超薄均溫板發(fā)展，定義不同會導致實際充液量有較大差別，因此對于充液率定義的規(guī)范化十分必要。

Li等測試了水在不同充液率下均溫板的熱性能，結果表明，在熱流密度為80W/cm的條件下，具有燒結泡沫銅吸液芯的均溫板在充液率為95%時達到最小熱阻0.152K/W，具有三層絲網吸液芯的均溫板在填充率為90%時達到最小熱阻0.171K/W。Wang 等研究了一個集成的均溫板，得出在相同熱負荷下，熱阻隨充液率的變化而變化，充液率為60%的均溫板熱阻最低，熱阻曲線先下降后上升。然而，對于均溫板不同結構與充液率之間的關系，目前的研究還較少。Wiriyasart 等研究了十個不同結構均溫板在不同的流體充液率下的熱阻，討論微通道寬度和燒結柱數(shù)量對充液率的影響，結果發(fā)現(xiàn)微通道寬度和燒結柱數(shù)量對最佳充液率幾乎沒有影響，最佳充液率在20%～35%之間。與無微通道的均溫板相比，有通道的均溫板最佳充液率更小。

大量文獻表明，最小熱阻對應的最佳充液率與操作功率、散熱器的幾何形狀和材料類型、均溫板內部的結構等有很大關聯(lián)。然而對于特定的均溫板總是存在一個最佳的充液率。從微觀的角度解釋，充液率較低時，蒸發(fā)與冷凝之間保持較高的獨立性，相互影響程度較弱；充液率較高時，氣泡脫離頻率降低、凝結和沸騰換熱強度均受到了一定程度的抑制；而當充液率處于一個中間水平范圍時，氣泡的破裂促使蒸發(fā)面與液體工質之間發(fā)生強烈的對流換熱，促進了沸騰換熱。同時氣泡破裂對液面的擾動導致冷凝液膜厚度減薄，強化了冷凝換熱能力。

3.3 熱源

隨著電子產品功率的不斷提高，電子設備上存在多個熱點，均溫板相當于多只熱管并聯(lián)在一起，但與后者相比，其降低了并聯(lián)熱管之間的接觸熱阻，同時受熱點位置和大小影響較小，因而具有更好的傳熱效率。

簡棄非等采用雙層絲網芯的超薄平板熱管，通過可視化實驗測試不同充液率和熱輸入功率下的熱阻變化，得出在35%的充液率下，最佳熱負荷為20W。Velardo 等在加熱功率分別為20W、30W、40W 下，對大小為123mm×140mm×3mm 的銅-水均溫板進行擴散熱阻測量，結果表明，在所試驗的熱源面積下銅-水均溫板的熱阻與銅散熱器相比較小，且熱阻隨著熱源面積的增大而減小。在加熱功率為40W、熱源面積為12.25cm時熱阻最小，有效熱導率最大，為2400W/(m·K)。而Wong等對大小為100mm×80mm×1.3mm 均溫板的熱性能進行測試發(fā)現(xiàn)，加熱面積越小，臨界熱流密度越大，熱阻越小。且在加熱功率為240W時，熱源面積為1.21cm時，熱阻最小達到0.14K/W。作者認為蒸發(fā)吸液芯中心的膜層厚度最小，單位面積上的蒸發(fā)熱阻最小，同時較小的加熱面積有更強的側向熱擴散效應。

熱源的位置分布是影響均溫板均溫性的重要因素。Ranjan對大小為30mm×30mm×3mm且具有中心熱源的均溫板進行了仿真模擬，得到溫度分布如圖8 所示，溫差范圍為1.92K。王夢妍將大小為140mm×90mm×3.3mm 均溫板應用于芯片的散熱，并對具有不同功率芯片的橫向間距和縱向間距進行正交實驗。結果得到最松散布置和最緊湊布置下均溫板組件的自熱阻和耦合熱阻均小于銅基板組件，從最松散布置調整為最緊湊布置后，均溫板組件熱阻上漲幅度比銅基板組件更小。這說明用均溫板來替代銅基板能夠在一定程度上提高整個多熱源組件的傳熱性能，除此之外，均溫板多熱源組件比銅基板多熱源組件的響應速度更快且均溫性能更好。

圖8 均溫板內部的溫度分布[56]

相比加熱面積和加熱位置，加熱功率對均溫板性能影響的研究較多，分析可得到熱管的蒸發(fā)段傳熱主要依靠薄膜蒸發(fā)，當熱負荷較小時并未進入核態(tài)沸騰狀態(tài)，這就會在蒸發(fā)段聚集較多的液體工質，阻礙蒸氣的溢出和蒸氣向冷凝面的移動，使得熱管的整體熱阻增大。隨著熱負荷增大，當蒸發(fā)面的蒸發(fā)速度和冷凝面的冷凝回流速度處于平衡狀態(tài)時，熱阻最小，傳熱性能達到最佳。當熱負荷進一步增大時，蒸發(fā)速度會超過冷凝回流速度，蒸發(fā)面的液體不斷氣化而得不到補充，部分區(qū)域會出現(xiàn)燒干現(xiàn)象，熱管的傳熱性能惡化，熱阻增大。

加熱功率大小與充液率大小對均溫板熱阻有很大的影響，在今后的研究中，可將它們綜合考慮。不同情況下熱源面積對均溫板的影響大有不同，研究認為均溫板的熱阻主要由蒸發(fā)熱阻、冷凝熱阻和流動熱阻構成。冷凝熱阻的影響一般較小，可忽略考慮。熱源面積較小時，蒸發(fā)熱阻較大，隨著流體溫度上升，蒸氣密度增大，黏度減小，蒸氣壓力損失也隨之減小，從而導致流動阻力減小。不同均溫板中，熱源面積的大小對蒸發(fā)熱阻和流動熱阻的影響程度不同，因此可能得到相反的結論。由于均溫板具有較小的擴散熱阻，即使在不均勻的熱源分布下也依舊保持良好的均溫性，幫助解決熱點問題。但在實際中熱源分開布置有利于減小最高溫度與溫差，增大臨界熱通量，應盡可能采用對稱布置。

3.4 工作角度

工作角度的選擇可以作為提升均溫板性能的另一種措施。當角度適合時，能夠改善均溫板的傳熱性能。

Huang 等對大小為100mm×15mm×1mm 的絲網型均溫板進行實驗，得出在水平狀態(tài)、重力狀態(tài)、反重力狀態(tài)、側放狀態(tài)和倒置狀態(tài)下的最大熱負荷能力分別為7.58W、9.06W、6.33W、7.33W和7.58W。與水平狀態(tài)相比，重力狀態(tài)的最大熱負荷功率增加了1.48W，反重力狀態(tài)減少了1.25W。Zeng等比較了大小為90mm×90mm×1.5mm的帶凹槽鋁制均溫板水平位置和不同傾斜位置的熱響應時間，發(fā)現(xiàn)水平位置比垂直位置短。在傾斜方向時，均溫板的熱性能略有提高。垂直方向的熱阻最大，如圖9所示。

圖9 均溫板不同傾角的放置[59]

總結文獻發(fā)現(xiàn)，液體從冷凝器回流到蒸發(fā)器有兩種典型的路徑，即路徑1 為在毛細壓力的驅動下，液體水平流動，直到到達最近的燒結柱，并轉移到蒸發(fā)器，再到達加熱面；路徑2為一些凝結物液滴在重力作用下被直接輸送到蒸發(fā)器，再到達加熱面。在傾斜位置，路徑1的長度保持不變。雖然路徑2上半部分路徑縮短了，但下半部分路徑延長了。考慮到均溫板良好的毛細管性能，認為液體仍然可以在傾斜位置通過吸液芯有效輸送。因此，在低傾斜角條件下，減小路徑長度加速氣液循環(huán)使得均溫板熱性能甚至比重力方向的更好。在垂直位置，沒有重力的幫助下液滴直接輸運，路徑2的長度急劇增加，氣液循環(huán)在垂直位置惡化。此外，當上半部分干燥時，液體往往在底部積聚，使液體更難補充到加熱區(qū)域。

近年來，學者們通過大量的實驗研究驗證理論模型，不斷優(yōu)化均溫板的結構，考慮各個因素的影響，然而對于各個因素多目標優(yōu)化的研究較少，在后續(xù)的研究中可以加強此方面的探索，進一步優(yōu)化均溫板的性能。表3是對文獻中采用不同吸液芯材料的均溫板散熱性能的對比。從表3可以看出，銅為最常用的吸液芯原材料，水為最常用的工作流體。吸液芯結構和工作流體的選擇都會對熱阻產生重大的影響。均溫板可承受較大的熱負荷，臨界熱流密度可達800W/cm及以上。由于均溫板工作流體、吸液芯結構、輸入熱流密度各不相同，客觀評價各類均溫板的散熱效果優(yōu)劣十分困難。但與傳統(tǒng)熱管相比，不可否認，均溫板存在著巨大的優(yōu)勢。

表3 均溫板實驗研究總結

4 超薄均溫板

隨著電子設備的高度集成、更輕、更薄，有限的空間大大限制了熱控制元件的尺寸，目前正朝著超薄均溫板的方向發(fā)展。超薄均溫板定義為總厚度小于2.0mm的微型均溫板。其厚度很薄，可以緊密地貼合在電子元件的表面，特別適用于超薄便攜式電子設備的散熱，如智能手機、筆記本和智能手表等，具有高均溫性，能消除在此類設備中產生的局部熱點。然而，不同的電子設備要求超薄均溫板具有不同的厚度和傳熱能力。用于筆記本電腦和平板電腦的超薄均溫板的厚度分別為1.2mm 和0.8～1.2mm，其傳熱能力應大于20W。此外，對于智能手機或智能手表而言，超薄均溫板的厚度為0.4～0.6mm，傳熱能力為5W以上。由于加工困難以及在較小尺度下減小均溫板厚度會急劇降低均溫板的性能，目前超薄均溫板的最薄厚度限制在0.3mm以上。

與傳統(tǒng)熱管不同，超薄均溫板由壓扁工藝造成上下層吸液芯的互相擠壓，吸液芯的孔隙率更小，多孔材料內部更不容易形成核態(tài)沸騰。同時又由于孔隙率較小，超薄均溫板的工質灌注量較小，所以影響其主要傳熱極限的是毛細極限而不是沸騰極限。毛細極限與吸液芯結構緊密相關，對于超薄均溫板，燒結粉末層較厚，壓扁會導致裂紋。微槽吸液芯是通過高速旋轉成形工藝制造，隨著管壁厚度的減小，該方法也不能滿足超薄均溫板加工的要求。而燒結絲網由于其形狀易改變而結構不被破壞的特點，常用于制造超薄均溫板。表4總結了絲網型超薄均溫板的厚度、吸液芯、制備工藝及其熱性能。

表4 絲網型超薄均溫板總結

唐恒開發(fā)出一種全新的螺旋帶狀結構的銅編織絲網作為超薄均溫板的吸液芯結構，通過編織機順向相互交錯編織而成，由未壓扁前的點接觸改善成壓扁后的面接觸，能減少接觸熱阻而增大毛細力，有利于吸液芯的軸向傳熱。Huang 等將單層粗銅網和兩層細銅網燒結在一起作為吸液芯，實驗研究了粗網目數(shù)和細網目數(shù)對1.5mm超薄均溫板傳熱性能的影響。結果表明，在50W 時熱阻為0.197K/W，約為1.5mm銅片的4.4倍。

但是將絲網相互對折或通過多層疊加的方法達到所需的吸液芯厚度，操作較為繁瑣、制備效率低。目前除了通過改變絲網層數(shù)和網格直徑，還通過表面處理提高了絲網結構的表面親水性，絲網大多由金屬材料制成，由于表面光滑，親水性較差。表面氧化、化學腐蝕和電化學去位等表面處理可以在表面形成微/納米結構形貌，提高其親水性，從而提高芯結構的性能。劉昌泉等研制了一種內部吸液芯是多孔介質底層和多孔介質絲組成的多尺度復合結構的新型超薄均溫板，其總厚度為1.30mm。經過化學改性處理分析納米結構、充液比以及角度對熱性能的影響。結果表明，充液比為25%時，改性熱管的臨界熱通量提高了255%，總熱阻最大可降低43.2%。Lyu 等對具有超親水性燒結銅網的超薄平板熱管進行試驗，吸液芯結構如圖10 所示。結果表明平板熱管能承受490W/cm而不發(fā)生干燥，最小熱阻為0.039K·cm/W。

圖10 微納米尺度超親水銅網[72]

經典理論通常忽略兩相界面上由于氣液反流而引起的附加壓降，而超薄均溫板的極限除了與上述的毛細力有關，還與氣液反流摩擦壓降直接相關，所以無法忽略。對此，Huang 等提出了通道系數(shù)（）的概念，此系數(shù)與蒸氣摩擦系數(shù)和液體摩擦系數(shù)有關，當均溫板厚度小于0.3mm時，隨著均溫板厚度和寬度的減小，迅速增大，導致傳熱能力惡化。均溫板的支撐形式對蒸氣壓降的影響也很大，減小支撐柱的直徑和間距是減小蒸氣壓降的一種好方法，順序排列比交叉排列具有更小的壓降。Zhou等則是研究了氣液通道面積比對超薄熱管傳熱性能的影響，通過改變吸液芯的寬度來調節(jié)氣液通道面積比，得出最佳氣液通道面積比為67.28%。液體通道面積較小時，可儲液量較小，蒸發(fā)段易發(fā)生干燥現(xiàn)象，導致?lián)Q熱效率下降。此外，管內蒸氣高速運動時，會產生氣液反流現(xiàn)象，影響氣液循環(huán)的平衡，降低熱性能。當蒸氣通道面積過小時，管內蒸氣流動阻力增大，氣液循環(huán)速度減緩，降低熱性能。由此可以得出，通過優(yōu)化超薄均溫板的內部結構可以調節(jié)氣液流動方向減少摩擦，從而改善傳熱性能。

超薄均溫板應用在實際的散熱場合時，空間狹小，需要對超薄均溫板的形狀做出相應的改變。吳國強等比較超薄平板在彎折角度為90°、135°、和豎直時的性能差異。彎折角度對有效熱導率有顯著影響，在加熱功率為80W 時，豎直情況下的有效熱導率為12.6kW/(m·K)，是90°熱管的2.3 倍，135°超薄均溫板性能介于兩者之間。Oshman 等設計并制造了一種平面柔性聚合物熱管，采用多層聚合物組成的商用薄膜作為外殼材料，發(fā)現(xiàn)彎折后的超薄熱管對傳熱性能影響不大。

綜上所述，隨著厚度的減小，超薄均溫板的最大換熱能力大大降低。除了通過對吸液芯進行表面處理優(yōu)化傳熱性能外，還可以優(yōu)化超薄均溫板的內部結構，重新分配氣液通道的體積，調節(jié)氣液流動方向減少摩擦，從而改善傳熱性能。此外，目前柔性超薄均溫板殼體材料一般為聚合物，其導熱性低于金屬材料，因此開發(fā)出具有高導熱性能的殼體材料十分關鍵。

5 均溫板制備工藝

均溫板的制備包括殼板制造、清洗、吸液芯填充、焊接、檢漏、抽真空、充液等。其中各類吸液芯的制備在第1 節(jié)中已做介紹，這里不再贅述。封裝過程是制造均溫板的關鍵步驟，封裝不當會導致均溫板在運行過程中溫度分布不均勻，還會導致工作液的泄漏，直接影響均溫板的傳熱性能和使用壽命。目前常用的焊接方式有擴散焊接和激光焊接。Ryoson 等制作了溝槽式和絲網復合的銅制均溫板，通過擴散焊接黏結成型，發(fā)現(xiàn)當輸入功率為63W 時，此類均溫板的熱導率高達10000W/(m·K)。由于均溫板工作時內部蒸氣壓力較大，陳杰凌利用冷壓焊對封口進行一次焊接后又采用激光焊接工藝對形成的封口進行二次焊接，提高封口的可靠性、耐腐蝕性。均溫板對于真空度的要求非常高，如果抽真空不充分，殘余的不凝性氣體會堵塞在冷凝段，導致均溫板無法正常運行。目前，熱管抽真空注液主要有灌注熱排氣抽真空技術和真空泵抽真空灌注技術兩種方法，灌注熱排氣法在工業(yè)上比較常用，該方法在實施過程中需要專業(yè)的操作。真空泵抽真空灌注方法可以精確控制工質的充液量，且能保證熱管抽出很高的真空度，應用廣泛。Li等在灌注封口工藝完成之后對熱管進行二次抽真空，利用工質沸騰蒸發(fā)后產生的蒸氣壓力將不凝性氣體驅趕至平板熱管的頂部，達到進一步去除管內不凝性氣體的目的。結果表明第二次抽真空后，冷凝器的熱阻小于0.09K/W，比第一次抽真空后的0.16K/W小得多。

超薄均溫板由于超薄的殼體，其封裝過程比傳統(tǒng)的均溫板更為復雜。目前工業(yè)生產的超薄均溫板有兩種封裝形式：一種是傳統(tǒng)的圓柱形熱管壓扁使均溫板內部具有微通道，擠壓成型的管材清潔程度高，無需清洗，節(jié)省了制造成本；另一種是通過焊接將兩個帶芯結構的薄片連接在一起。超薄的外殼在焊接過程中更容易燒穿或黏結不良，超薄均溫板的壓扁技術比焊接技術更有效、更靈活，更適合工業(yè)化制造。然而壓扁工藝主要成形缺陷是塑性變形過程中的表面坍塌現(xiàn)象。該現(xiàn)象不僅壓縮了超薄均溫板本來就很小的蒸氣通道，增大了工質的流動阻力，而且嚴重降低了均溫板的表面平整度，在實際應用中無法與熱源或熱沉保持良好接觸，加大了表面接觸熱阻，從而降低了均溫板的傳熱性能。對此Li等提出了相變壓扁工藝，壓扁過程中工作流體的溫度對熱管內壓有顯著影響，內部壓力決定了扁平管的截面輪廓。隨著溫度的升高，坍塌變小，最終消失，有效防止均溫板橫向壓縮過程中的彎曲變形，但該方法制造工藝相對繁瑣，難以實現(xiàn)量化生產。Huang 等設計了一種基板厚度僅為0.15mm 銅均溫板，在860℃下燒結1h 后強度下降明顯，且表面易于壓縮。為避免超薄殼體坍塌，采用一種新的焊接工藝，利用錫膏設備對殼的焊接部位進行定量涂敷。將上下板固定在640℃下加熱15min，用還原氣體保護其不被氧化，最后用氮氣在8min 內迅速冷卻至室溫。結果表明，采用這種方法焊接的超薄均溫板能夠承受壓縮。

封裝工藝是制造均溫板的關鍵環(huán)節(jié)，直接影響著傳熱性能和使用壽命。雖然我國現(xiàn)代焊接技術越來越成熟，能夠有效地提高均溫板傳熱性能，但在實際焊接中容易使構架出現(xiàn)裂紋。裂紋主要受溫度影響，如冷裂紋多發(fā)于焊縫冷卻階段，因此還需要不斷對焊接技術進行優(yōu)化和創(chuàng)新。對于超薄均溫板，傳統(tǒng)的圓柱形熱管壓扁技術和黏接封裝技術都存在一定的缺陷，極大地限制了其應用和發(fā)展，新封裝工藝需要解決殼體坍塌問題。

6 結語

均溫板是具有高導熱性和低熱阻的高效器件，從文獻中可以看出，許多研究都集中在降低熱阻、改善傳熱極限、獲得更高的熱通量和均溫性能。在過去二十年里，均溫板的理論、實驗和數(shù)值仿真研究取得了顯著進展。均溫板作為高效的傳熱設備，被廣泛地應用在高功率LED發(fā)光二極管、廢熱回收、太陽能集熱器、電池熱管理等，由于均溫板滿足輕量化、高性能、高可靠性的要求，且能在零重力環(huán)境中運行，未來有望廣泛應用到空間電子設備的冷卻中。因此，為了更好地理解均溫板的傳熱機制，還需要從以下幾個方面進行深入研究。

（1）需要建立更完善的理論模型，特別是均溫板內存在沸騰-凝結共存的相變換熱現(xiàn)象。在這樣的系統(tǒng)中，存在著復雜的沸騰-凝結-導熱耦合關系，三種傳熱過程相互作用，相互影響，互為制約。忽略他們之間的差別必然會帶來很大的誤差和不確定性。

（2）創(chuàng)新吸液芯的結構，同時加強微納米梯度結構表面改性優(yōu)化傳熱的機理研究，對熱源、工作角度、充液率等因素進行多目標優(yōu)化，降低均溫板的整體熱阻，提高均溫板的性能。

（3）對于超薄均溫板中的坍塌機理需要更深入的研究，針對相變壓扁封裝工藝進行適當?shù)膬?yōu)化和改善以實現(xiàn)量化生產。同時優(yōu)化超薄均溫板的內部結構，調節(jié)氣液流動方向減少摩擦，從而改善傳熱性能。