熱管以實現(xiàn)溫度均勻化初探

聶呈呈

(山東省環(huán)能設(shè)計院股份有限公司,山東 濟南 250100)

在最近的十年中,與諸如空氣冷卻和水冷卻之類的其他冷卻方法相比,熱管因其可相變,結(jié)構(gòu)簡單,穩(wěn)定可靠,成本相對較低而被稱為熱“超導(dǎo)體”,吸引了人們的關(guān)注。熱管作為兩相傳熱設(shè)備,它們具有低傳熱溫差,高傳熱性能,小尺寸和出色的溫度一致性的優(yōu)點,并且熱管的機制和工作原理簡單,不需要機械維護,提供了非常有前途的解決方案。

各種尺寸或形狀的熱管的特殊性能使其可以用于各種應(yīng)用,如有關(guān)熱管研究和開發(fā)的一些文獻綜述所介紹的[1-2],例如Lips等人[3]根據(jù)液體向蒸發(fā)器的回流是重力還是毛細管輔助,對熱管的類型進行分類。還描述了其他熱管,例如旋轉(zhuǎn)和脈動熱管,不同類型的熱管的多樣性反映了使用它們的應(yīng)用的多樣性。熱管的主要功能是在熱源和冷源之間傳遞具有低溫差的高熱通量。但是,通過選擇特定類型的熱管也可以使用其他功能。因此,熱管可用于熱通量散布,熱控制,熱敏二極管或溫度均勻化。顯然,這些功能中的幾個功能可以在同一系統(tǒng)中組合。下面將對每個功能進行簡短描述。

蒸氣室是毛細管驅(qū)動的平面熱管,具有長寬比小。如果冷凝器在蒸發(fā)器上方,則不需要管芯。脈動熱管(PHP)由長的毛細管構(gòu)成,該毛細管可以彎曲許多圈,成環(huán)或不成環(huán)。由于毛細作用,流體分布在管內(nèi)的蒸汽塞和液塞中,液態(tài)團塊的蒸發(fā)或沸騰會引起整個管中流體的強烈振蕩,熱量通過潛熱和顯熱從熱源轉(zhuǎn)移到冷段。

熱管也可以用于特殊應(yīng)用中,以允許單個方向的熱傳遞,例如熱敏二極管。大多數(shù)應(yīng)用,如永久凍土的保存[4],都是基于使用熱虹吸管,無多孔結(jié)構(gòu)的熱管。在這里,液體只能靠重力返回。當(dāng)蒸發(fā)器在冷凝器上方時,不可能進行熱傳遞。VCHP也可以用作熱敏開關(guān)。僅通過存在NCG即可實現(xiàn)無源調(diào)節(jié)。在低溫下,它們充滿了較大的體積,從而降低了熱管的傳導(dǎo)性。相反,在高溫NGC在冷凝器的末端被壓縮,從而增加了其電導(dǎo)率。這樣,在暫時的非耗散期間,當(dāng)設(shè)備的溫度過低時,可以通過與散熱器隔離來保持其完整性[5]。

主要針對兩種熱管的主要應(yīng)用進行了總結(jié),分為圓柱形熱管和扁平熱管/蒸汽室。圓柱形熱管主要應(yīng)用大體積的電力電子器件,而對于一些體積空間較小的器件,則使用扁平熱管進行散熱。

1 圓柱形熱管

圓柱形熱管是一種相變再循環(huán)系統(tǒng),用作熱管散熱器中熱源與散熱片之間的互連基礎(chǔ)。與傳統(tǒng)的銅或鋁基材相比,通過提供重量和體積要少得多的高導(dǎo)熱率,熱管可以減少更多的空氣流通障礙,從而增強自然對流。隨著熱管的加入,翅片的面積大大減少。Ye等[6]設(shè)計了一個帶有熱管和平行垂直散熱片的散熱器,以控制70 ℃下80 W LED的外殼溫度。Sharifi等[7]開發(fā)了熱管翅片陣列系統(tǒng)的熱阻模型,并證明了從熱管冷凝段到周圍空氣的熱傳遞極大地限制了系統(tǒng)的散熱性能。關(guān)于熱管翅片陣列系統(tǒng)應(yīng)用的其他一些研究也表明,系統(tǒng)級極限熱阻與熱管冷凝器或蒸發(fā)器部分外部的單相流體流動有關(guān)。當(dāng)冷凝段通過自然空氣對流冷卻時,較大的外部熱阻通常位于熱管的冷凝器端。

1.1 圓柱形翅片熱管

圓柱形熱管通常不單一使用,而是結(jié)合翅片增強散熱。Wang[8]通過實驗研究了帶有嵌入式L形熱管和用于電子冷卻應(yīng)用的板翅片的散熱器。結(jié)果表明,帶有六個熱管的散熱器的功率為160 W,最小熱阻為0.22 ℃/W。計算流體動力學(xué)仿真用于獲得CPU冷卻散熱器的正確設(shè)計條件。Xiahou[9]等設(shè)計了一種用于IGBT散熱的新型陣列式冷凝器平熱管散熱器,冷凝管構(gòu)成陣列的冷端并焊接在蒸發(fā)器的上表面,陣列的冷端在空間上與空心腔的熱端整體相連。新型熱管消除了基板與熱管之間的接觸熱阻,溫度均勻性提高,工作流體可以相互調(diào)節(jié)和補充,有利于顯著提高傳熱效率。各種研究證明,減小接觸熱阻可以增強散熱效果。

傳統(tǒng)的熱管翅片散熱器,經(jīng)過優(yōu)化散熱效果更好。Huang[10]等提出一種新型的對稱且高度連續(xù)變化的翅片陣列,通過減小流阻來改善自然對流換熱。通過三維數(shù)值計算,比較不同高度可變翅片陣列的熱管散熱器的傳熱性能。研究表明,增加散熱片間距(s)和最大散熱片高度差(p)可以大大降低單位功率的材料成本Mtot,但對總熱阻Rtot影響更復(fù)雜。并且基于響應(yīng)面法,以最小Rtot和Mtot為目標(biāo),進行了參數(shù)研究和多目標(biāo)優(yōu)化分析。Liang[11]等研究了帶翅片U型熱管的散熱器的熱性能,用于中央處理器(CPU)的冷卻。作者據(jù)散熱器的熱阻進行分析,確定了最佳的工作熱負荷范圍。通過使用貝塞爾(Bessel)的修正方程以及通過實驗研究獲得的結(jié)果,估算了散熱片與周圍空氣之間的對流傳熱系數(shù)。通過評估熱阻函數(shù)的最小值對散熱器進行優(yōu)化來確定U形熱管的優(yōu)化L比(蒸發(fā)器段長度與冷凝器段長度之比)。發(fā)現(xiàn)U形熱管的最佳L比率取決于其他幾何參數(shù),例如熱管直徑和散熱片間距,這對于散熱器的最佳設(shè)計具有實際工程意義。

1.2 振蕩熱管(OHP)

此外,振蕩熱管(OHP)是一種高效的被動冷卻裝置,具有出色的處理高熱通量的能力,同時在功率器件冷卻和能量收集中保持較低的熱阻,被證明是大功率LED一種潛在的散熱解決方案。

一些研究者對振蕩熱管的熱性能進行了分析。Wang[12]等設(shè)計并開發(fā)了一種在平板蒸發(fā)器內(nèi)部帶有燒結(jié)銅顆粒(SCP)的三維管狀平板振蕩式熱導(dǎo)管(OHP),用于大功率LED芯片的熱管理。實驗研究了SCPs,傾斜角和填充率對OHP散熱器在不同熱功率輸入下的啟動性能和傳熱性能的影響。評估了不同傾角和填充率的LED芯片的溫度分布和照度變化。Lyu等人[13]研究了OHP的重力和工作流體對LED封裝的傳熱性能的影響。他們發(fā)現(xiàn)水-OHP的性能優(yōu)于甲醇-OHP,其最低熱阻為0.06 ℃/ W,并且重力可以促進OHP啟動,并增強用于冷卻100 W LED的熱傳輸?shù)姆€(wěn)定性。Lin等[14]在LED散熱器上使用鋁板OHP來研究加熱模式的方向,冷卻條件和OHP的內(nèi)部結(jié)構(gòu)對64 W LED散熱的熱性能的影響。熱試驗表明,重力和冷卻溫度極大地影響了板式OHP的熱性能,當(dāng)將板式OHP應(yīng)用于LED散熱器時,可以顯著降低LED芯片的結(jié)溫。Li等[15]進行了基于平板OHP冷卻100 W LED芯片的實驗研究。實驗結(jié)果表明,帶有自然對流翅片的平板OHP可以有效降低大功率LED的溫度。以上工作初步證明了OHP在大功率LED冷卻中的可行性。

1.3 外部環(huán)形熱管

環(huán)形毛細管熱管通常是封閉的容器,由容器的外壁和較大的同軸管組成。為了確保良好的機械強度和熱管的高毛細泵送力,通常將環(huán)形段分成幾個蒸汽通道,這些蒸汽通道由篩網(wǎng)濾芯隔開。

Parent[16]等人的不銹鋼/鈉熱管(內(nèi)徑2 cm,外徑4.1 cm)將3 m長反應(yīng)堆的最大縱向溫度梯度降低至0.01 K/mm,而傳統(tǒng)冷卻方式為0.06 K/mm。Choi[17]等人的不銹鋼/萘熱管提供了爐子的縱向和圓周溫度平坦化,其外徑為159 mm,長度為200 mm。為了確保由每個納米顆粒的銅制成的燒結(jié)多孔片的設(shè)計,該技術(shù)需要恒溫條件,以避免最終產(chǎn)品的機械變形。盡管加熱不均勻,但溫度梯度估計為0.02 K/mm,僅提供給爐子的下部。實驗結(jié)果突顯了非常好的溫度穩(wěn)定性,約為200 ℃或300 ℃。

圓柱形熱管軸向?qū)嵝院軓?熱阻小,適用于散熱器功率大、散熱空間充足的電力電子器件。但是圓柱形熱管徑向散熱并無太大的改善,不適用于散熱空間較小的電子元器件,具有局限性。因此,需要扁平熱管來實現(xiàn)小型電子器件的散熱。

2 扁平熱管/蒸汽室

在過去的十年中,已經(jīng)有許多研究人士對許多小型原型進行了廣泛的研究,表明可以獲得與金剛石基板相當(dāng)?shù)纳嵝阅?。這些研究表明,熱管是解決未來熱管理挑戰(zhàn)的有前途的候選人。近年來,由于其低耐熱性和適應(yīng)性強,被稱為蒸氣室(VC)的平板型熱管[18]已被用作高性能計算機的高級散熱裝置。平板型熱管廣泛用于局部散熱中,在一些小型電力電子設(shè)備中,往往由于有限的熱源和散熱區(qū),很難有效利用傳統(tǒng)的圓柱形熱管增強散熱。蒸氣室是類似于熱管的密閉容器,利用相變來增強散熱效果,這引起了人們對電子行業(yè)的興趣。對于典型的散熱器應(yīng)用,越來越多的研究人員采用蒸氣室作為將電子部件產(chǎn)生的熱量散布到散熱器底部的方法。

2.1 蒸汽室集成

一些研究人士將蒸汽室集成在DBC與散熱器之間,用于替代金屬基板增強散熱。Zhang[19]等對集成的電力電子模塊進行了研究,將蒸汽室(VC)取代金屬基板集成于DBC與散熱器之間,消除了模塊與散熱器連接的接觸熱阻,與傳統(tǒng)金屬散熱片相比,VC將集中的熱源大大擴散到更大的冷凝區(qū)域,同時重量輕,幾何柔性好和較大的冷卻面積,大大增強了IGBT模塊的散熱效果。Chen等[20]開發(fā)了一種新型的散熱管理系統(tǒng)用于IGBT電源模塊冷卻。將模塊與基于蒸氣室的散熱器集成在一起,以降低熱阻并顯著提高溫度均勻性。與傳統(tǒng)散熱器相比較,芯片結(jié)溫、芯片內(nèi)溫差、最大熱應(yīng)力都有所降低,提高IGBT模塊的工作性能。

另外,Wang等人[21]在30 W大功率LED上使用了一個帶有折疊翅片的蒸氣室,實驗結(jié)果表明,在大功率LED熱管理中,蒸氣室的有效導(dǎo)熱系數(shù)比銅和鋁散熱器的導(dǎo)熱系數(shù)高得多。Luo等人[22]使用電鑄技術(shù)制造了用于大功率LED的硅基銅槽微蒸氣室。結(jié)果發(fā)現(xiàn),厚度為0.5 mm的微芯結(jié)構(gòu)對冷卻高功率LED封裝的蒸氣室的熱性能產(chǎn)生了重大影響。Wang[23]比較了三種類型的分別具有蒸氣室,銅和鋁的LED基板的熱性能。研究結(jié)果表明,LED蒸氣室基板具有5 W以上的最佳熱性能,其熱阻為0.38 ℃/W。還揭示出,6W LED蒸氣室基板的照度比鋁基板的照度大5%。Tang等人[24]開發(fā)了一種帶有蒸氣室的集成散熱片,該散熱片具有用于LED的平行,正交的微溝槽。實驗結(jié)果表明,LED封裝與蒸氣室散熱器的結(jié)溫比對流散熱器低,蒸氣室散熱器系統(tǒng)的熱阻為0.83 ℃/W,比對流散熱器低16.5%。Huang等[25]研究了用于大功率LED的蒸氣室的熱性能,他們發(fā)現(xiàn)蒸氣室可以有效地降低擴散阻力并減小熱點效應(yīng),表現(xiàn)出優(yōu)異的散熱性能。除了傳統(tǒng)的熱管和蒸氣室以外,還需要一些基于新型熱管技術(shù)的針對大功率LED封裝或產(chǎn)品的新熱管理方法,以滿足高熱通量要求LED芯片的快速發(fā)展。

其他幾項研究和專利比較了在較大表面上使用蒸氣室代替金屬板的情況。例如,Sun等人[26]申請了專利的高效鋁/丙酮蒸氣室。將263 cm2鋁表面上的17 cm2中心源加熱可將溫度差降低8 K。這相當(dāng)于溫度梯度從平板的0.06 K/mm降低到蒸氣室的0.01 K/mm。Wang等人[27]測量出平均溫度降低了10 K。適用于16個LED芯片封裝,面積為64 cm2,配備有銅/水蒸氣室,與鋁基板相比。紅外可視化清楚地顯示了標(biāo)準(zhǔn)基板鋁背面上每個芯片上都存在熱點,而蒸氣室基板則發(fā)生了快速的溫度均勻化。最后,由Bou-khanouf等人[28]對類似的蒸氣室進行了實驗研究。通過將熱量散布到500 cm2的散熱器上,證明了這種系統(tǒng)使50 cm2的熱源溫度均勻的效率。熱銅表面的紅外圖像突出顯示出平面內(nèi)溫度梯度從固態(tài)銅板的0.32 K/mm降低到蒸汽室蒸發(fā)器的0.08 K/mm,并降低了超過10 K的熱源最高溫度。

2.2 溫度均勻性

其次,扁平熱管具有很好的溫度均勻性,防止出現(xiàn)局部溫度過高而導(dǎo)致器件損壞的現(xiàn)象。Fan等人的著作[29]強調(diào)指出,蒸氣室比通過環(huán)氧樹脂或鋁板具有散熱孔的系統(tǒng)更有效,以散熱并均勻化2.7 cm2PCB的溫度。計算流體動力學(xué)結(jié)果證明,蒸氣室將帶通孔設(shè)計和平板散熱器的平面內(nèi)溫度梯度分別從0.9 K/mm和0.4 K/mm降低到PCB的0.1 K/mm。從而改善了PCB與散熱器之間的軸向?qū)?溫度梯度為2.2 K/mm,鋁制極板的溫度梯度為4.2 K/mm,帶通孔的系統(tǒng)的溫度梯度為15.6 K/mm。

2.3 蒸汽室缺點

蒸氣室的最壞缺點是重力對其運行的負面影響。在水平位置,如果芯子的毛細管抽吸足夠,則流體實際上在平面內(nèi)均勻地分布。在垂直位置,如果熱源位于蒸氣室的中心,則蒸氣流分為重力輔助向上流動和重力反向向下流動。這種現(xiàn)象可能涉及垂直蒸氣室頂部和底部之間的溫度梯度差異,但是薄的蒸氣室(例如:電子設(shè)備散熱器)的溫度均勻性良好。Tsai等[30]研究人員在各種傾角下研究了內(nèi)部厚度為2 mm的81 cm2銅/水蒸氣室。測量水平位置(蒸發(fā)器在下方和蒸發(fā)器在上方)得到了相同的溫度梯度,在垂直和水平位置之間記錄了溫度梯度的最大差值(約為0.04 K/mm),結(jié)果顯示,測試的傾斜度對溫度均勻化的影響不明顯。

蒸氣室的另一個可能的缺點是發(fā)生泄漏。實際上,由于采用扁平設(shè)計,蒸氣室無法承受圓柱幾何形狀的工作壓力,增加了泄漏的風(fēng)險和大部分流體裝料的損失。這種現(xiàn)象極大地降低了熱管的效率。有缺點的蒸汽室的散熱效率不如固態(tài)金屬板的散熱效率。例如,由Sun等人[31]測試的中空鋁板在與上述相同的條件下,可保持0.12 K/mm的溫度梯度,是普通板的梯度的兩倍。

3 熱管不同工作流體

影響熱管熱性能的因素有很多,在這種情況下,可以在熱管中選擇一種可以傳遞最大熱能的合適的工作流體。

合適的工作流體可以增強熱管的熱性能。S. K. Sahu等[32]研究了一種以相變材料(PCM)作為儲能材料(ESM)進行電子冷卻的納米流體(MCNT /水)帶電熱管的熱性能。由于增強了納米流體的傳熱特性,一些研究人員將納米流體應(yīng)用于管狀熱管中以提高傳熱性能。Yousefi等[33]通過使用Al2O3-水納米流體帶電熱管研究了CPU冷卻器的性能。結(jié)果表明,在10 W和25 W的熱負荷下,熱阻分別降低了15%和22%。Jahani等[34]報道了微脈沖熱管(MPHP)的熱性能。實驗結(jié)果表明,水的最佳充電率為40%,而納米流體的最佳充電率為60%。相對于帶水的MPHP,帶納米流體的MPHP具有較低的熱阻。

4 結(jié)論及展望

電子元件可以散發(fā)高熱通量密度。熱管可以將熱量傳遞到遠處,被廣泛用作散熱器。熱管作為兩相傳熱設(shè)備,它們具有低傳熱溫差、高傳熱性能、小尺寸和出色的溫度一致性的優(yōu)點。并且熱管的機制和工作原理簡單,不需要機械維護,提供了非常有前途的解決方案。另外,許多研究者對影響熱管熱性能的工作流體進行分析研究,通常包括納米流體懸浮液、氧化鐵-水懸浮液和去離子(DI)水等。對于蒸汽室的研究,主要分為:蒸汽室集成、蒸汽室代替基板、溫度均勻性以及蒸汽室缺點。由于蒸汽室存在一個重大痛點:會受重力影響,因此還有待進一步研究。

金屬材料由于其高導(dǎo)熱性而成為最受青睞的材料。塑料和聚合物復(fù)合材料等新型導(dǎo)熱和較輕材料的改進以及與這種材料化學(xué)相容的新型流體的研究是熱管設(shè)計未來的挑戰(zhàn)之一。最后,如文獻中矛盾的結(jié)果所示,通常的或新的材料/流體對的物理和化學(xué)性質(zhì)的知識仍然很貧乏。為了解決這個問題,應(yīng)該在熱管和材料科學(xué)研究界之間建立更多的互動關(guān)系。