多孔吸液芯均熱板的現(xiàn)狀研究

鄧文昊 譚躍龍 方俊露

南華大學(xué)

0 引言

隨著時(shí)代的進(jìn)步，技術(shù)的不斷革新，電子產(chǎn)品為了滿足人們的需求在不斷變小變薄，但功耗卻在不斷變大，因此需要排出的熱流也水漲船高。例如，用于現(xiàn)代雷達(dá)的LED 芯片和功率放大器芯片的熱通量分別已經(jīng)達(dá)到100 W/cm2[1］和500 W/cm2[2］，而用于軍事和航空航天的能帶間隙放大器更是超過1 000 W/cm2[3］。在電子芯片行業(yè)，2006 年電子行業(yè)所能制造的電子芯片每平方厘米的晶體管從1億個(gè)[4］到2019 年飛增到了103 億個(gè)，而其芯片面積僅為1.13 cm2，更小的散熱面積以及更大的功耗使得芯片熱通量和工作溫度的控制問題十分嚴(yán)峻。一旦熱流無法及時(shí)排出，將會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)品性能表現(xiàn)變差甚至燒壞，因此，高熱通量的去除已經(jīng)成為設(shè)計(jì)所需冷卻系統(tǒng)主要問題之一。

在許多情況下，基于被動(dòng)相變的均熱板在熱管理領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。而事實(shí)證明，由毛細(xì)力驅(qū)動(dòng)的熱載體，均熱板（VC）已是最有效的被動(dòng)冷卻設(shè)備之一[5］。一般來說均熱板的重要組成部分有蒸發(fā)端和冷凝端（殼體）、吸液芯、工質(zhì)、支撐柱。以厚度方向?yàn)闊崃總鬟f方向的普通均熱板為例，均熱板的工作循環(huán)過程為工質(zhì)在蒸發(fā)端吸收來自熱源的熱量后受熱蒸發(fā)進(jìn)入到蒸汽腔，蒸汽腔內(nèi)的蒸氣工質(zhì)在真空蒸汽腔中受蒸氣壓差推動(dòng)，在遇到冷凝端后受冷冷凝相變?yōu)橐簯B(tài)工質(zhì)，并在吸液芯的毛細(xì)力作用下回流到蒸發(fā)端（見圖1）。

圖1 均熱板工作原理示意圖

均熱板工作是一個(gè)循環(huán)過程，氣液蒸發(fā)/冷凝相變，蒸氣擴(kuò)散和液體回流四個(gè)環(huán)節(jié)都決定著均熱板能否正常工作。要實(shí)現(xiàn)循環(huán)過程，其內(nèi)部要滿足壓降平衡，即吸液芯驅(qū)動(dòng)工質(zhì)回流的毛細(xì)力△Pcap，需要能夠克服蒸氣工質(zhì)在蒸汽腔的流動(dòng)阻力△Pv，以及液態(tài)工質(zhì)從冷凝端回流到蒸發(fā)端的流動(dòng)阻力△Pl和液體重力壓降△Pg。

本文將根據(jù)循環(huán)過程分成三個(gè)部分相變傳熱、蒸氣擴(kuò)散、液體回流，以多孔材料為吸液芯的均熱板為例（粉末燒結(jié)吸液芯，泡沫金屬吸液芯），來概述均熱板研究原理，綜述國內(nèi)外對(duì)均熱板優(yōu)化工作研究現(xiàn)狀。

1 相變傳熱

在均熱板的正常工作中，燒干現(xiàn)象的產(chǎn)生表示工質(zhì)與蒸發(fā)端連續(xù)接觸的結(jié)束[6］。而當(dāng)均熱板工作達(dá)到臨界熱通量時(shí)，如果從蒸發(fā)端傳遞來的熱量大于吸液芯內(nèi)工質(zhì)蒸發(fā)的相變換熱量，便會(huì)導(dǎo)致燒干現(xiàn)象的發(fā)生。

1.1 燒干現(xiàn)象

當(dāng)燒干現(xiàn)象發(fā)生時(shí)，便意味著均熱板內(nèi)循環(huán)的斷路，也意味著均熱板由于蒸發(fā)端相變換熱到達(dá)燒干極限而被迫到達(dá)它的臨界熱通量。所以，想要提高均熱板的臨界熱通量必須要做到提高燒干極限的閾值，就要考慮燒干現(xiàn)象的原因，一方面可能單純是吸液芯毛細(xì)性能不夠，液體工質(zhì)的補(bǔ)充量小于熱源熱量所需的相變工質(zhì)的量，另一方面是補(bǔ)充的工質(zhì)分布不均，導(dǎo)致蒸發(fā)端部分區(qū)域無法及時(shí)獲得相變工質(zhì)從而發(fā)生燒干現(xiàn)象。因此，需要從兩方面來解決，一是提高吸液芯的毛細(xì)性能，從而使得液態(tài)工質(zhì)得到及時(shí)補(bǔ)充，二是改善蒸發(fā)端吸液芯的設(shè)計(jì)，使得熱量在吸液芯中均勻合理地被相變換熱帶走。

首先要考慮采用何種吸液芯，在粉末燒結(jié)吸液芯[9-11，14，16-22，35-38］、泡沫金屬吸液芯[13］、微溝槽吸液芯[26，31-32］、絲網(wǎng)燒結(jié)吸液芯[15，23-25，28］、復(fù)合結(jié)構(gòu)吸液芯[33-34］、微納復(fù)合尺度吸液芯[12，37-38，54］中考慮優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行選擇。

除不同種類吸液芯帶來的毛細(xì)性能差異，研究者們還提出了異構(gòu)分層的方法來提高多孔結(jié)構(gòu)吸液芯的毛細(xì)能力[35-36，38］，SUN Zhen 等[36］制作了一種新型的非對(duì)稱均熱板，蒸發(fā)側(cè)吸液芯由銅粉燒結(jié)而成，其中心加熱區(qū)域采用57 μm 銅粉顆粒燒結(jié)，其它區(qū)域采用100 μm 銅粉顆粒燒結(jié)。實(shí)驗(yàn)表明，這種非對(duì)稱均熱板可顯著降低加熱側(cè)的溫度。王宙等[35］提出了一種具有梯度結(jié)構(gòu)的燒結(jié)銅粉吸液芯，將吸液芯分為中心加熱區(qū)域和回流區(qū)域，不同區(qū)域的吸液芯采用不同粒徑，同時(shí)設(shè)置兩個(gè)區(qū)域采用單粒形和雙粒形作一組對(duì)比，結(jié)果表明中心加熱區(qū)域采取大粒徑，回流部分采用小粒徑且均采用雙粒形銅粉的吸液芯設(shè)置表現(xiàn)性能更優(yōu)異。部分研究者通過微納技術(shù)，對(duì)燒結(jié)銅粉結(jié)構(gòu)吸液芯表面進(jìn)行蝕刻來獲得吸液芯一些親水性能以及更好的毛細(xì)能力。Min 等[38］在多路徑熱管散熱器的基礎(chǔ)上進(jìn)行了優(yōu)化，蒸發(fā)側(cè)和支撐柱由燒結(jié)的銅粉制成，并對(duì)表面進(jìn)行氧化蝕刻以提高潤濕性。為了降低熱阻，蒸發(fā)側(cè)采用60 μm 小顆粒銅粉燒結(jié)吸液芯，而支撐柱用滲透率較大的150 μm銅粉燒結(jié)吸液。

對(duì)于蒸發(fā)端吸液芯工質(zhì)供給不均的問題，研究者們提出了蒸發(fā)端吸液芯均勻化和圖案化的解決方案。Peng 和Liu 等[39-43］提出了一種基于蒸騰作用下葉脈液體轉(zhuǎn)運(yùn)生物學(xué)現(xiàn)象的仿生燈芯。燈芯由葉脈狀分形網(wǎng)絡(luò)和微鰭針陣列組成（如圖2 所示）。仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，與傳統(tǒng)吸芯相比，仿生吸液芯具有良好的毛細(xì)能力和較低的傳熱性。

圖2 由多孔介質(zhì)和葉脈狀分形結(jié)構(gòu)組成的仿生燈芯的概念結(jié)構(gòu)

1.2 液體薄膜蒸發(fā)理論

由于研究者們需要關(guān)注吸液芯毛細(xì)力抽吸過來的工質(zhì)的量是否滿足帶走蒸發(fā)端的傳熱量所需，液體薄膜蒸發(fā)理論便應(yīng)運(yùn)而生。液體薄膜的蒸發(fā)機(jī)理如圖3所示[44］。這是一個(gè)跨越多個(gè)尺度的復(fù)雜的流動(dòng)-熱-傳質(zhì)過程。多孔結(jié)構(gòu)中的薄膜蒸發(fā)是蒸發(fā)端吸液芯的一個(gè)基本科學(xué)問題，它結(jié)合了動(dòng)量傳遞、能量傳遞、界面轉(zhuǎn)移和分子動(dòng)力學(xué)[44-47］的多物理特性。從研究尺度上來看，宏觀尺度上，液體薄膜蒸發(fā)包括吸液芯中的液體輸送和氣液界面上的液體蒸發(fā)兩個(gè)耦合過程。在孔隙尺度上，薄膜蒸發(fā)涉及彎月板的熱傳質(zhì)和孔隙內(nèi)微流場的相互作用。在分子尺度上，界面分子通過吸收輸入的熱量，獲得足夠的動(dòng)能，不斷突破界面結(jié)合力，擴(kuò)散到氣相中。從時(shí)間尺度、空間尺度和氣液界面的熱力學(xué)性質(zhì)來看，液體薄膜蒸發(fā)中各個(gè)物理過程的機(jī)理值得研究[44］。

圖3 液體薄膜蒸發(fā)機(jī)理

具體來看，由于液膜的表面張力和液體與壁面之間的分離壓力的共同作用，便在吸液芯內(nèi)的微通道中形成了膨脹的彎月板。由于傳質(zhì)情況的不同，彎月板可以分成非蒸發(fā)平衡薄膜區(qū)域、蒸發(fā)薄膜區(qū)域和固有彎月面區(qū)域[48-50］三個(gè)區(qū)域（如圖4 所示）[44］。首先，在非蒸發(fā)平衡薄膜區(qū)域，該處的液膜表面張力遠(yuǎn)低于分離壓力，而分離壓力主要由固體分子和液體膜分子之間的長程范德華力所主導(dǎo)。足夠的分離壓力可以保持液膜過熱而不發(fā)生蒸發(fā)。其次，在蒸發(fā)薄膜區(qū)，隨著液膜厚度的逐漸增加，表面張力和減弱的分離壓力共同影響著界面的形貌和蒸發(fā)量。蒸發(fā)區(qū)域的液體輸送是由分離壓力的梯度和界面曲率的變化共同驅(qū)動(dòng)的。最后，在固有彎月面區(qū)域，足夠的液體膜厚度允許分離壓力被忽略。因此，存在一個(gè)由表面張力主導(dǎo)的恒定界面曲率。

圖4 非蒸發(fā)平衡薄膜區(qū)域、蒸發(fā)薄膜區(qū)域和固有彎月面區(qū)域

Derjaguin 等人[51］首先提出了分離壓力的概念，并建立了氣液界面上力與熱傳質(zhì)之間的關(guān)系。Wayner 等人[52］，通過Kelvin-Clapeyron 公式指出了分離壓力對(duì)蒸發(fā)的抑制作用，以及毛細(xì)管壓力和界面溫度跳躍的影響。這些研究工作為開發(fā)分離壓力和蒸發(fā)系數(shù)的關(guān)系表達(dá)式等相關(guān)物理模型奠定了基礎(chǔ)[48］。

1.3 設(shè)計(jì)參數(shù)的影響機(jī)理研究

基于液體薄膜蒸發(fā)機(jī)理，研究者們對(duì)在實(shí)際均熱板蒸發(fā)端的設(shè)計(jì)中各個(gè)設(shè)計(jì)參數(shù)的影響機(jī)理作出了進(jìn)一步的研究。

蒸發(fā)端吸液芯的熱阻反映了自發(fā)傳熱過程的難度，而這與過熱度（ΔT）和等效傳熱系數(shù)（HTC）的設(shè)置又密切相關(guān)。因?yàn)閷?duì)于具有較高熱阻或較低HTC 的蒸發(fā)器，需要更大的過熱度來傳遞相同的熱流，而這種情況對(duì)電子元件的高效運(yùn)行不利。S.Sudhakar 等人[53］，通過設(shè)計(jì)一種蒸發(fā)端吸液芯為兩層的異構(gòu)吸液芯，研究發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)的兩層蒸發(fā)器吸液芯中實(shí)現(xiàn)的液體供給方法可顯著增強(qiáng)燒干極限熱通量的同時(shí)保持低熱阻。M.M. Rahman 等人[54］通過對(duì)吸液芯表面進(jìn)行納米結(jié)構(gòu)處理，經(jīng)過實(shí)驗(yàn)得到了芯吸能力對(duì)CHF 增強(qiáng)作用的定量測量。然而，多孔燈芯結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性仍給通過物理模型準(zhǔn)確描述流體流動(dòng)和熱傳熱的過程帶來了巨大的麻煩。近年來，微柱陣列吸液芯熱性能的可預(yù)測性引起了廣泛的關(guān)注[55-58］。S. Adera 等人[55］通過建立一個(gè)半解析模型來確定受毛細(xì)力限制下的燒干極限熱通量和吸液芯壁面溫度，其精確度在±20%，同時(shí)與試驗(yàn)相對(duì)照。該模型為設(shè)計(jì)和優(yōu)化下一代熱管理設(shè)備的微柱芯提供了一個(gè)通用平臺(tái)。

同時(shí)，液態(tài)工質(zhì)的充液率也直接影響著工質(zhì)蒸發(fā)的過程，不同的充液率代表著不同的液膜厚度和大小以及熱傳導(dǎo)面積（液態(tài)工質(zhì)與吸液芯）。Tsai等人[59］實(shí)驗(yàn)研究了一種用于電子冷卻的兩相封閉溫差換流均熱板系統(tǒng)，其總熱阻為0.495 ℃/W，有著約為62 W/cm2的熱流量，充液率為20%。Lips等[60］研究了充液率和蒸汽腔厚度對(duì)FPHP 性能的綜合影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，蒸汽腔厚度和熱通量對(duì)FPHP的熱性能有重要影響。較小的蒸汽腔厚度會(huì)導(dǎo)致液體滯留在FPHP 的邊邊角角，因此即使在液體工質(zhì)的量大于最佳值的情況下，也會(huì)降低系統(tǒng)的熱阻。Wang 等[61］實(shí)驗(yàn)研究了以交錯(cuò)的狹窄溝槽或通道作為吸液芯結(jié)構(gòu)的FPHPs。對(duì)于填充比為65%的矩形窄通道，其最小熱阻為0.183 K/W，對(duì)于填充比為70%的圓形通道，其最小熱阻為0.071 K/W。

Naphon 等人[62］研究了一種兩相VC 技術(shù)在個(gè)人電腦硬盤驅(qū)動(dòng)器冷卻中的應(yīng)用。有VC 冷卻系統(tǒng)的硬盤平均溫度比沒有VC 冷卻系統(tǒng)的溫度低15.2%。作者指出，相變傳熱過程的熱阻也隨液膜厚度的增加而增加。因此，在測試的其它充液率中，20%充液率的VC 可以做到最低的硬盤溫度。Peng 等人[63］使用丙酮和蒸餾水混合物作為工質(zhì)，實(shí)驗(yàn)研究了充液率（CR）（10%＜CR＜50%）范圍內(nèi)的鋁FPHP 的熱性能。在相同的充液率下，使用丙酮的熱性能優(yōu)于使用蒸餾水。Peng 等人[63］使用充液率（0＜CR＜80%）的去離子水測試了一種基于直徑為90 mm的葉脈系統(tǒng)的新型VC的性能。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)充液率為63%時(shí)，其熱阻最低。

2 蒸氣擴(kuò)散

在均熱板工作循環(huán)中，當(dāng)工質(zhì)在蒸發(fā)端吸熱相變?yōu)檎魵夂螅藭r(shí)蒸氣便要靠蒸汽腔內(nèi)的壓差進(jìn)行擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)來到冷凝端進(jìn)行放熱冷凝，在這個(gè)過程中如何減少蒸氣擴(kuò)散的阻力便是重點(diǎn)所在。從最直接的蒸汽腔大小來看，當(dāng)蒸汽腔的大小足夠大時(shí)，蒸氣擴(kuò)散的阻力便可以減小。

2.1 非超薄均熱板

影響蒸汽腔大小的首要因素便是實(shí)際設(shè)計(jì)尺寸的大小，而實(shí)際尺寸大小的選擇最終還是服務(wù)于需求，因此對(duì)于尺寸要求并未有太多限制的普通非超薄均熱板如厚度方向?yàn)閭鳠岱较虻臍庖寒惷婢鶡岚澹ㄆ渫ǔＰ枰谏舷職ぐ宀贾脙蓪游盒?，中間支撐起蒸汽腔空間，因此厚度無法太?。?，此類均熱板的應(yīng)用場景：一是滿足散熱的均勻性，防止熱點(diǎn)的產(chǎn)生，使得熱源和熱沉兩端都具有良好的均溫性；二是能滿足通過較大的熱量，使得熱源的熱量能夠足量且及時(shí)地排出。

由于蒸汽腔內(nèi)為真空內(nèi)外壓差大，所以需要考慮支撐柱的設(shè)置防止塌陷，而同時(shí)支撐柱往往還是工質(zhì)回流的通道，所以其體積往往不能忽略，其在蒸汽腔中對(duì)蒸氣擴(kuò)散造成的阻力也不可小覷。李聰[64］通過建立均熱板傳熱傳質(zhì)的數(shù)值仿真計(jì)算模型，分析了均熱板內(nèi)支撐柱結(jié)構(gòu)的尺寸、數(shù)量、間距以及支撐柱結(jié)構(gòu)類型等因素對(duì)均熱板傳熱性能的影響，發(fā)現(xiàn)計(jì)算結(jié)果能夠較好吻合文獻(xiàn)數(shù)據(jù)與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，與試驗(yàn)數(shù)據(jù)最大誤差約為2%。

2.2 超薄均熱板

對(duì)于實(shí)際尺寸有超薄要求的應(yīng)用場景，如在智能手機(jī)這樣的產(chǎn)品，則需要應(yīng)用到超薄均熱板技術(shù)。有研究表明，當(dāng)蒸汽腔厚度減小至0.3 mm以后，超薄均熱板熱阻急劇增加，并且隨著蒸汽腔厚度進(jìn)一步減小，蒸汽流動(dòng)產(chǎn)生的熱阻占據(jù)超薄均熱板總熱阻的比重也越來越大[64］（如圖5所示）。

圖5 理論熱阻隨蒸汽腔厚度變化曲線

超薄均熱板的氣液通道排布方式可分為氣液異面結(jié)構(gòu)排布和氣液共面結(jié)構(gòu)排布兩種。兩種排布類型的超薄均熱板氣液運(yùn)行與傳熱機(jī)理示意圖如圖6所示。由圖6a可知，氣液異面超薄均熱板蒸汽通道和液體通道在厚度方向(Z軸)上是相互分離的，并且蒸汽流動(dòng)與液體流動(dòng)在不同的平面(XOY平面)進(jìn)行。圖6b 所示為新型氣液共面超薄均熱板氣液運(yùn)行與傳熱機(jī)理示意圖，該類型超薄均熱板蒸汽通道和液體通道在厚度方向(Z軸)上是不可分離的，并且蒸汽流動(dòng)與液體流動(dòng)在同一平面(XOY平面)內(nèi)進(jìn)行。兩種氣液運(yùn)行與傳熱過程類似，都是蒸發(fā)段吸液芯中的工質(zhì)液體吸收外界輸入熱量，發(fā)生蒸發(fā)相變變成工質(zhì)蒸汽，并在壓差作用下沿著蒸汽腔長度方向(Y軸)流動(dòng)至冷凝段，工質(zhì)蒸汽在冷凝段被帶走熱量，發(fā)生相變凝結(jié)變成工質(zhì)液體，并在吸液芯毛細(xì)壓力推動(dòng)下流回至蒸發(fā)段，進(jìn)行下一步吸熱蒸發(fā)過程[65］。

圖6 氣液異面與氣液共面結(jié)構(gòu)超薄均熱板傳熱示意圖

由于在厚度方向傳熱的均熱板存在需兩層吸液芯的厚度限制，其無法在超薄的路上走得更遠(yuǎn)，研究者們發(fā)現(xiàn)超薄均熱板沿著長度方向傳熱更具實(shí)際效益，其既可以保證均溫性，同時(shí)也能保證芯片熱量快速傳遞至電子設(shè)備殼體，而且只需要一層吸液芯結(jié)構(gòu)。SHI 等[66］報(bào)道了一種厚度為0.65 mm 的氣液異面超薄均熱板，采用陣列微柱作為支撐柱，與吸液芯結(jié)構(gòu)在厚度方向上相互分離。CHEN等[67］設(shè)計(jì)制造了一種厚度僅為0.43 mm 的氣液異面銅超薄均熱板，該超薄均熱板采用口徑為46 μm(300目)絲網(wǎng)作為吸液芯，濕法蝕刻加工支撐柱作為蒸汽腔，吸液芯和蒸汽腔在厚度方向上相互分離，兩者厚度分別為0.15 mm 和0.08 mm（如圖7 所示）。大量學(xué)者均采用該類氣液異面結(jié)構(gòu)(蒸汽腔層為柱狀支撐柱組成的腔體，吸液芯層為整層多孔結(jié)構(gòu))的設(shè)計(jì)制造超薄均熱板[68-70］。

圖7 支撐柱-吸液芯分離氣液異面超薄均熱板

因?yàn)闅庖寒惷娼Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)需要考慮總厚度為蒸汽腔厚度加上吸液芯厚度，所以在超薄化上只能在減少蒸汽腔厚度和吸液芯厚度上取舍，而無論是蒸汽腔厚度減小可能需要考慮的微尺度效應(yīng)以及液塞，還是吸液芯厚度減小可能導(dǎo)致的蒸發(fā)相變傳熱受到影響都是無法接受的。華南理工大學(xué)湯勇教授團(tuán)隊(duì)創(chuàng)新性地提出氣液共面新型氣液通道排布方式，將蒸汽通道(蒸汽腔) 與液體通道(吸液芯)排布在厚度方向上的同一平面上，蒸汽和液體流動(dòng)在同一平面上進(jìn)行，超薄均熱板總體厚度可進(jìn)一步下降。另外，通過氣液通道的交替設(shè)置，氣液共面均熱板在寬度方向可以較好地?cái)U(kuò)展，特別適用于散熱面積較大的場合。這逐漸受到其他研究者的關(guān)注。陳恭[71］提出一種厚度為0.27 mm 的新型氣液共面結(jié)構(gòu)超薄均熱板設(shè)計(jì)與制造方法,圍繞新型氣液共面結(jié)構(gòu)超薄均熱板的運(yùn)行機(jī)理、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、制造方法以及性能表征進(jìn)行了系統(tǒng)且深入的研究。

2.3 工質(zhì)的選擇

除開蒸汽腔大小對(duì)蒸氣擴(kuò)散的阻力影響外，便是需要考慮工質(zhì)選擇帶來的阻力改變了。在許多情況下均熱板無法獲得比較長的使用壽命往往與工質(zhì)的錯(cuò)誤選擇有關(guān)，例如工質(zhì)與吸液芯和壁面材料的不兼容性導(dǎo)致均熱板的腐蝕以及不可凝氣體的產(chǎn)生，致使均熱板內(nèi)部循環(huán)阻力持續(xù)增大，最終無法正常工作。迄今為止，均熱板的大多數(shù)實(shí)驗(yàn)都是采用銅和鋁材料進(jìn)行的封裝，以水[7-8，26］，丙酮[7，26-27］，甲醇[16，26，28-29］，乙醇[7］和正戊烷[30］。

一般來說選擇合適的工作流體取決于均熱板的工作溫度范圍和所需的熱通量上限。其它主要考慮因素是與吸液芯和封裝壁面材料的兼容性、熱穩(wěn)定性、吸液芯和壁材料的潤濕性，以及綜合考慮在工作溫度范圍內(nèi)蒸氣壓是否過高或過低。同時(shí)，合適的工質(zhì)還需擁有高潛熱、高導(dǎo)熱性、低液體黏度和蒸汽黏度、高表面張力和可接受的凝結(jié)或蒸發(fā)點(diǎn)。圖8 展示了部分材料和工質(zhì)的兼容性關(guān)系[72］。

圖8 部分材料和工質(zhì)的兼容性關(guān)系

3 液體回流

如果把熱源輸入的熱量看作是均熱板循環(huán)的“驅(qū)動(dòng)力”，那么由吸液芯主導(dǎo)的液體回流便是使均熱板循環(huán)構(gòu)成閉環(huán)的“慣性力”了。當(dāng)蒸氣工質(zhì)在冷凝端相變放熱凝結(jié)進(jìn)入冷凝端吸液芯時(shí)，液體回流便開始了，液體工質(zhì)在吸液芯毛細(xì)力的作用下克服阻力回流到蒸發(fā)端。以多孔吸液芯為例，在這個(gè)過程中，吸液芯作為運(yùn)載主體，工質(zhì)作為運(yùn)載對(duì)象，便需要細(xì)致的研究設(shè)計(jì)來達(dá)到目的。吸液芯所提供的毛細(xì)壓力需能做到克服所有阻力，即令公式（1）成立。除此之外，工質(zhì)在吸液芯內(nèi)的滲透率需足夠大，使得液體工質(zhì)回流到蒸發(fā)端的速度達(dá)到要求，避免燒干現(xiàn)象的產(chǎn)生。

3.1 毛細(xì)力與滲透率

3.1.1 毛細(xì)力與滲透率的概念

對(duì)于多孔材料為吸液芯的均熱板，孔隙率ε是影響多孔介質(zhì)內(nèi)流體傳輸性能的重要參數(shù)之一，是指塊狀材料中孔隙體積與材料在自然狀態(tài)下總體積的百分比[73］。一般主要采用密度計(jì)算法來測量孔隙率，如式（2）：

其中Mw為吸液芯的總質(zhì)量，Vw為吸液芯總體積，Vc為吸液芯材料總體積，Vp為空隙總體積。

在一定壓差下，材料允許流體通過的能力即為材料的滲透率，在狀態(tài)穩(wěn)定的情況下，由于流速較低，吸液芯內(nèi)的液體滲流，可認(rèn)為是層流流動(dòng)，在慣性效應(yīng)忽略的情況下，可以根據(jù)達(dá)西(Darcy)定律來計(jì)算吸液芯的滲透率[74］。

其中，μl為液體黏度,L為吸液芯樣品的長度，ΔP為吸液芯進(jìn)出口壓降，V為液體滲流速度，m?為液體的質(zhì)量流速，Aw為液體在吸液芯內(nèi)部的流動(dòng)橫截面積，ρl為液體的密度。

對(duì)于銅粉燒結(jié)式吸液芯滲透率也可用Blake-Kozeny 方程[75］計(jì)算：

式中，dp為燒結(jié)銅粉的平均粒徑。

對(duì)于銅粉燒結(jié)吸液芯的毛細(xì)壓力可用Laplace-Young方程[76］來表示:

式中,σ和rp分別為液體的表面張力和孔隙半徑,θ為接觸角，通常將孔隙半徑和接觸角余弦值的比值用有效毛細(xì)半徑(reff)[78］來代替:

3.1.2 滲透率和毛細(xì)壓力的測量

根據(jù)式（3），黃豆等[73］建立一套燒結(jié)銅粉吸液芯的滲透率測試實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)（如圖9 所示）, 其工質(zhì)為去離子水，去離子水在重力的作用下流入實(shí)驗(yàn)段,實(shí)驗(yàn)段由不銹鋼基體流動(dòng)腔體、密封硅膠墊、有機(jī)玻璃板組成。在不銹鋼基體流動(dòng)腔體中間加工出與吸液芯樣品尺寸匹配的矩形槽道，矩形槽道兩端加工同深度的漸縮漸擴(kuò)槽道，在不銹鋼基體流動(dòng)腔體的進(jìn)出口分別加工一個(gè)長方體的聯(lián)箱，深度為25 mm，使流入吸液芯的去離子水的流速更均勻更穩(wěn)定，在進(jìn)口聯(lián)箱處安裝絕對(duì)壓力傳感器(OmegaPX309-050A5V)測量吸液芯入口壓力，出口與大氣相通，認(rèn)為壓力保持不變。流體流出測試段以后,采用燒杯進(jìn)行收集,通過高精度電子秤(精度為0.1 mg)稱量,同時(shí)利用秒表進(jìn)行計(jì)時(shí)，以便獲得流體在吸液芯內(nèi)的流速。

圖9 滲透率測試實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

而對(duì)于毛細(xì)壓力的測量，通過式（6）可以知道先得到有效毛細(xì)半徑，對(duì)于燒結(jié)銅粉吸液芯材料，可利用經(jīng)驗(yàn)公式[77］：

當(dāng)然也有具體的測量實(shí)驗(yàn)方法，即氣泡點(diǎn)測試法[78-80］，裝置如圖10（兩種系統(tǒng)）。其原理為通過測量燈芯被液體覆蓋時(shí)所能承受的氣體壓力，可以估計(jì)燈芯的有效孔隙半徑。

圖10 氣泡點(diǎn)測試系統(tǒng)

3.2 毛細(xì)性能

吸液芯的綜合毛細(xì)性能主要受毛細(xì)壓力和滲透率的影響，而毛細(xì)壓力和滲透率有一定的制約關(guān)系,兩者均不能單獨(dú)描述吸液芯的毛細(xì)性能。一般采用毛細(xì)性能因子K/reff，即滲透率和有效毛細(xì)半徑的比值，來評(píng)價(jià)吸液芯的綜合毛細(xì)性能[81］。

現(xiàn)有的研究方法中，有種高效且簡單的表征吸液芯毛細(xì)性能的實(shí)驗(yàn)方法，便是上升速率法了[79，82］,其原理為當(dāng)吸液芯浸沒在工作液體中時(shí)，在吸液芯所提供的毛細(xì)壓力作用下，液體會(huì)在吸液芯結(jié)構(gòu)中爬升一定高度，由于工作液體和吸液芯結(jié)構(gòu)的發(fā)射率不同，可通過紅外成像儀觀測到上升的過程，通過此得到毛細(xì)爬升高度以及爬升速率，以此來表征吸液芯的毛細(xì)能力（如圖11）。

圖11 毛細(xì)上升紅外測試系統(tǒng)

由于吸液芯在實(shí)驗(yàn)期間垂直放置，因此重力和毛細(xì)壓力存在平衡。毛細(xì)壓力和壓降的關(guān)系可以采用式(8)進(jìn)行描述[82］。

式中,等式左端為毛細(xì)壓力,等式右端第一項(xiàng)為達(dá)西定律表示的滲流阻力,即黏性摩擦力,μ和h 分別為液體的動(dòng)力黏度和吸液芯的毛細(xì)上升高度是毛細(xì)上升速度，ρ、g、ε分別為液體的密度、重力加速度及吸液芯結(jié)構(gòu)的孔隙率。

對(duì)上式兩邊積分可得到一個(gè)關(guān)于reff的復(fù)雜的超越方程[82］：

以此超越方程為基礎(chǔ)，利用MIATLAB 編程基于一組輸入的毛細(xì)爬升高度h 和假設(shè)的reff數(shù)據(jù)集、K 數(shù)據(jù)集對(duì)生成的一組時(shí)間t 采用最小二乘法來分析[83］。為了分析這組數(shù)據(jù)，利用滲透率和有效毛細(xì)半徑值的樣本空間，為每對(duì)有效毛細(xì)半徑和滲透率值生成多組時(shí)間值。每組時(shí)間值以最小二乘法與來自實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)集的時(shí)間值進(jìn)行比較。所尋求的是滿足實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)集的時(shí)間t 與從樣本空間生成的時(shí)間集t 之間的偏差平方和最小時(shí)對(duì)應(yīng)的滲透率和有效毛細(xì)半徑。如此之行，便是為了得到滲透率與有效毛細(xì)半徑的合理配比，從而獲得吸液芯比較好的毛細(xì)性能。

4 結(jié)論與展望

從目前的研究趨勢來看，均熱板的應(yīng)用場景越來越偏向于超薄化的發(fā)展，那么可以預(yù)見在未來的研究中，氣液共面排布的均熱板研究會(huì)更受到青睞，其在厚度方向繼續(xù)減小的潛力更大。同時(shí)，在吸液芯結(jié)構(gòu)的研究上，利用微納復(fù)合尺度技術(shù)會(huì)成為研究者們攻克的一個(gè)方向，例如對(duì)吸液芯不同區(qū)域進(jìn)行不同的處理，提升吸液芯毛細(xì)能力的同時(shí)增強(qiáng)冷凝端和蒸發(fā)端相變換熱的能力以及獲得更好的傳熱均勻性和工質(zhì)輸送穩(wěn)定性。

同時(shí)，在未來由于電子設(shè)備的緊湊化和高功率化，要求均熱板能夠長時(shí)間穩(wěn)定工作，研究者們需要更多地去嘗試工質(zhì)與封裝材料以及吸液芯材料的搭配，避免凝氣現(xiàn)象的發(fā)生，延長產(chǎn)品壽命周期，同時(shí)獲得可大規(guī)模應(yīng)用且高效可行的封裝方法，嘗試實(shí)現(xiàn)規(guī)?；鸵?guī)范化生產(chǎn)方法的突破。

在吸液芯種類選擇上，可以預(yù)見的是由于電子產(chǎn)品功率的上升，吸液芯毛細(xì)能力的要求會(huì)更高，同時(shí)厚度的限制之下對(duì)吸液芯結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性需求也更大，因此對(duì)于目前微溝槽吸液芯毛細(xì)能力上限低，而多孔材料吸液芯在厚度極度減少時(shí)強(qiáng)度不足的情況，本文認(rèn)為應(yīng)該多進(jìn)行復(fù)合結(jié)構(gòu)吸液芯的嘗試，取長補(bǔ)短。