气液通道比例对铜粉槽道结构热管性能的影响研究

气液通道比例对铜粉槽道结构热管性能的影响研究

摘要微型化、集成化、高性能是当今时代各类电子元器件的发展趋势，这种发展趋势下，高热流密度带来的电子元件性能下降逐渐成为一个难以避免的问题，高效的相变传热元件的出现成为了解决问题的关键，因此得以被广泛应用。作为一种针对二维平面散热的相变传热元件，平板热管逐步应用在各种高性能的电子元件上。电子设备内部的空间越来越有限，为了适应这种变化，需要开发出传热性能更好而厚度更薄的超薄平板热管。本文详细介绍了热管强化传热机理，重点综述了热管设计及制作的研究进展；设计与制造具有四种不同气液通道比例的铜粉槽道平板热管；构建热管传热性能测试的研究实验平台，通过多次实验测量该热管的传热性能评价参数，主要是热阻，动态温度响应，温度分布，温差，有效导热系数以及传热极限等。通过比较不同的评价参数分析不同气液比例的热管的传热性能，找出铜粉槽道热管的最佳气液比例。关键词：铜粉槽道平板热管、气液比例、传热性能AbstractMiniaturization,integrationandhighperformancearethedevelopmenttrendsofallkindsofelectroniccomponentsintoday'sera.Underthistrend,theperformancedegradationofelectroniccomponentscausedbyhighheatfluxhasgraduallybecomeanunavoidableproblem.Theemergenceofefficientphasechangeheattransferelementshasbecomethekeytosolvetheproblem,soithasbeenwidelyused.Asaphase-changeheattransferelementfortwo-dimensionalplanarheatdissipation,flatheatpipesaregraduallyappliedtovarioushigh-performanceelectroniccomponents.Inordertoadapttothischange,itisnecessarytodevelopultra-thinflatheatpipeswithbetterheattransferperformanceandthinnerthickness.Inthispaper,themechanismofheattransferenhancementofheatpipeisintroducedindetail,andtheresearchprogressofheatpipedesignandfabricationissummarizedemphatically;copperpowderchannelflatheatpipewithfourdifferentproportionsofgasandliquidchannelsisdesignedandmanufactured;anexperimentalplatformforheattransferperformancetestingofheatpipeisconstructed,andtheevaluationparametersofheattransferperformanceoftheheatpipearemeasuredthroughmanyexperiments,includingthermalresistance,dynamictemperatureresponseandtemperaturefraction.Cloth,temperaturedifference,effectivethermalconductivityandheattransferlimit,etc.Bycomparingdifferentevaluationparameters,theheattransferperformanceofheatpipeswithdifferentgas-liquidratioswasanalyzed,andtheoptimumgas-liquidratioofcopperpowderchannelheatpipeswasfound.Keyword：copperpowderchannelflatheatpipe，gas-liquidratio，heattransferperformance.

目录第一章绪论 第一章绪论1.1课题研究背景及意义当今时代，微电子技术的发展日新月异，大部分电子产品主要朝着小型化、集成化、高性能的方向发展。由于电子芯片功耗高、集成度高和尺寸小的特点，不可避免地造成芯片内热流密度大幅度上升，散热成为电子行业的一个难题。有研究资料表明，电子元件温度的升高会导致其失效的可能性大幅度增加，当温度超过电子元器件的额定工作温度时，其可靠性将会显著下降[1-3]。据数据表明，由于散热问题导致温度升高而造成的电子产品失效占比超过55%[4]。毫无疑问，高热流密度导致的电子散热问题是电子制造行业必须突破的关口，业界也在思考如何提高电子产品的散热效率[5-6]。热管是一种高效的相变传热元件，它的特点是导热率高、冷却能力强、稳定性高和寿命长，这使其在电子元器件散热领域被广泛地利用，现已成为电子工业领域的主流散热方式，如CPU、显卡，笔记本电脑等产品大多是利用热管来提高散热效率，其是目前解决电子设备在狭小空间内高热流密度问题的理想方案[7-10]。但是，随着电子产品的厚度越来越薄和性能越来越高，传统的圆柱型热管已经不能满足电子行业的要求。为了适应电子设备的变化，当务之急是开发出厚度更薄而性能更加优良的新型热管，热管的超薄化已经成为一个趋势。受到尺寸的限制，电子器件中所应用的热管必须既轻薄又有较好的热性能以及与电子设备易结合，这促使了超薄平板热管的发展，一般将厚度小于2mm的平板热管定义为超薄平板热管。1.2热管的工作原理Gaugler[11]在1942年提出热管的概念；Grover[12]在1963年发明热管并将其命名为热管(HeatPipe)；Cotter[13]在1965年提出了比较完整的热管理论，为以后热管理论的研究工作奠定了基础。典型的热管由管壳、吸液芯和端盖组成，图1.1为热管的工作原理示意图。图1.1热管的工作原理示意图热管的工作原理：热管的一端为蒸发段(加热段)，一端为冷凝段(冷却段)，中间根据应用需要可布置绝热段。当热管的蒸发段受热时吸液芯中的液态工质蒸发汽化，蒸汽在微小的压差作用下流向冷凝段，蒸汽在放出热量后凝结成液态工质，液态工质在吸液芯结构的毛细作用下流回蒸发段，如此循环不停，热量由热管的蒸发段传至冷凝段，实现热量的转移。热管作为一种高效的相变传热元件，具有以下基本特性：(1)超高导热性：利用工作液体的汽、液相变带走热量，热阻很小；(2)优良等温性：工质从蒸发段流向冷凝段产生的压降很小，因此热管内部温差不大；(3)热流密度的可变性：热管可以通过改变蒸发段或冷凝段的面积改变热流密度；(4)热流方向的可逆性：吸液芯水平放置时，热管的两端是不固定的，加热的一段为蒸发段；(5)热二极管与热开关性能：热管可允许热流向一个方向流动，而不允许向相反的方向流动。与传统的热管相比较，平板热管的工作原理和传统热管没有什么区别，都是利用工质的相变进行换热。它们的不同主要体现在几何结构上的不同。结构如图1.2所示图1.2平板热管的剖面图1.3超薄平板热管的研究现状平板热管一般分为蒸发段、绝热段、冷凝段和毛细芯结构，在热管运行中，毛细芯起到了重大作用。根据不同吸液芯的结构特点，我们可以把热管分为简单芯热管、复合芯热管和无芯热管，其中简单芯包括烧结型、纤维型、丝网型、沟槽型，复合型即是不同简单芯的组合，如沟槽-丝网、沟槽-铜粉等。以下主要以对热管吸液芯结构的研究介绍目前超薄平板热管的研究现状。1.3.1烧结吸液芯热管烧结吸液芯，其毛细力大，反重力能力不错，不过其渗透率低，回流阻力过大。如果要增大回流工作液体的流量，就要使吸液芯的横截面积同时增大，这会造成径向热阻的升高和蒸汽腔横截面积减少。所以，我们可以发现烧结型吸液芯其实不适合外径在3mm以下的微型热管，它多数应用于大型热管或者直径在4~10mm之间的热管。LEE等[14]主要对粉末烧结吸液芯的结构与制作方法方面做出了许多研究，他们采取不同的烧结方法，有单边烧结，有双边正压，还有双边侧压，通过使用各种类型的烧结芯棒，制作出各种形状不同的吸液芯结构，如矩形和半月型等。李勇等[15]制作了一种压扁型粉末烧结式超薄热管，如图1.3和图1.4所示，他们采用铜粉烧结的方式，制作了一种形状为双边弓形的毛细芯。他们构建了一个热管传热性能测试平台，对具有不同吸液芯粉层厚度h、压扁厚度t和铜粉粒径dp的超薄平板热管实验样品进行了测试，获得实验的结果后，将之与理论计算结果比较。然后发现，三个实验参数中，对超薄平板热管的传热性能影响最大的是其压扁厚度t，厚度越小，它的传热性能越差，并且下降幅度很大，热阻也随之上升；在出现干涸现象前，超薄平板热管的蒸发段和冷凝段的热阻值与理论值基本一样，它的蒸发段热阻更小；超薄平板热管的最大的传热功率有25W。图1.3双边弓形超薄热管结构示意图图1.4双边弓形超薄热管横切面1.3.2纤维吸液芯热管纤维吸液芯，它的优点是工质的回流阻力较小、孔隙率高、渗透率高；但它的缺点也是比较多，对重力的作用比较敏感，毛细力较小，在热管的体积较小的时候纤维的填充比较困难，等温性能差，还有吸液芯的热阻也比较大。针对纤维吸液芯的制作技术，剑桥大学研发出一种新的技术，叫做瞬时液相烧结技术；制作出的纤维毡厚度一般在2mm~4mm之间，孔隙率在80%~95%，同时三维结构均匀，导热率高，辐射热效率也不低。将Cu纤维或Cu网形成有序的网络结构，再填充Fe粉，扩散烧结后形成具有有序网络孔结构的FeCu合金多孔体。德国的Fraunhofer研究所制备了一种金属纤维多孔金属材料，采用方法是熔抽法，这种材料被应用于过滤器的制造等方面[16]。1.3.3丝网吸液芯热管丝网吸液芯的优点是渗透率高，比较灵活，因为可以通过丝网的扎紧力度来控制它的孔隙率和流动热阻；然而它的缺点也较多，一方面是它的毛细力相比于其他类型的吸液芯较小，抗重力性能差，另一方面是丝网与管壁之间出现间隙的概率很大，这会使毛细芯与管壁之间的接触热阻增大。日本的Furukawa公司[17]研制出一种铜丝网吸液芯超薄平板热管，他通过压扁成形，其厚度是1mm，并搭建了一个实验平台，测试其在不同工作条件下的传热参数，以此找出适合这款热管的工作条件。根据实验结果，在比较高的工作温度条件下，热管的热阻比较低，而且该超薄平板热管最适合水平放置，这使其传热性能达到最优。AOKI等[18]利用压扁成形的方法制作出了两种厚度不同的铜丝网吸液芯超薄平板热管，厚度分别为1mm和0.7mm，搭建实验平台，就厚度和工作倾斜角度的不同测试它们的传热性能，并比较其实验结果，得出结论。实验结果表明，厚度为1mm的超薄平板热管的传热性能要优于厚度为0.7mm的热管，前者的热阻不超过0.2℃/W，而传热极限功率高达20W；而后者在运行时热阻比前者更高，为0.4℃/W，传热极限功率也更低，只有7W；工作倾斜角度也会对热管的传热性能产生影响，当倾角为90℃时，厚度为1mm的超薄热管热阻仍保持在0.2℃/W左右，但极限传热功率却低至10W以下，而厚度为0.7mm的超薄热管热阻为0.5℃/W，极限传热功率仅为5W。目前超薄平板热管大量使用丝网吸液芯，因为在丝网吸液芯在被压扁的过程中，结构不易遭受破坏，这使得其可以制作出的平板热管更薄，它的压扁厚度可以低至0.4mm，这完美符合当前的对超薄平板热管的需求。1.3.4沟槽吸液芯热管沟槽吸液芯超薄平板热管的主要优点是渗透率高，而且重量不大；但是毛细力小这个缺陷给它带来巨大的问题，同时它的反重力性能也不够出色，这对其传热性能造成一定负面的影响，不过由于它的优点比较符合电子工业的发展要求，沟槽吸液芯超薄平板热管在电子散热领域占有不低的份额。沟槽吸液芯的主要加工工艺有犁削-挤压成形、拉削成形、化学蚀刻和电火花加工等。DING等[19]设计出一种圆柱体阵列吸液芯，如图1.5所示，它直径为5µm，高50µm，每个圆柱体的圆心之间的距离为10µm，使用的材料为钛合金，运用的技术是化学蚀刻技术。利用这种毛细芯结构，该团队制作出了钛合金超薄平板热管，它的厚度仅为0.6mm。该团队还对此热管进行传热性能的测试，发现传热性能非常不错，最大有效导热系数高达350W/(m·K)。图1.5圆柱体阵列吸液芯结构GILLOT等[20]利用硅基板材料制作出了一种超薄平板热管，它的槽道结构如图1.6所示，槽道的宽度仅为0.09mm，槽道的加工技术为等离子蚀刻技术，热管通过三块硅基板焊接而成，它的厚度为1.5mm。该团队还搭建了实验平台，以测试其毛细极限和沸腾极限。图1.6硅基板表面微沟槽结构超薄微热管的沟槽型造工艺，外壳材料一般采用硅、特殊氧化物等特殊材料。虽然能够制造出具有一定传热性能而厚度又更薄的微热管，但是此类成型工艺均存在成本高、质量不稳定、工艺复杂耗时等问题，只适用于小批量生产和航空航天等特殊领域。而对于传统的金属外壳热管，目前主要采用拉拔加工工艺制造沟槽型吸液芯结构，但是该工艺必须要求管壁具有一定的厚度，不利于热管的超薄化发展。因此，改进现有的拉拔工艺、探索新型沟槽毛细结构是促进沟槽型超薄微热管发展的关键。1.3.5复合吸液芯热管复合吸液芯是由两种简单型或多种简单型吸液芯结构组合而成。每种简单型吸液芯都有其优点，但不可避免的其缺点也会存在，复合吸液芯就是要把它们的优点组合起来，解决单纯使用简单吸液芯时不能解决的问题，让超薄平板热管的传热性能在制作技术允许的情况下达到最佳。目前，在超薄平板热管吸液芯结构的研究领域，复合吸液芯占比很高。KAMENOVA等[21]制作出了一种厚度为1.8mm的超薄热管，他们一开始使用铜粉烧结的方法烧结出一种铜粉结构的吸液芯，它的厚度仅为1mm，然后通过电腐蚀的方法加工出0.5mm的矩形沟槽，最后一步是使用Directbondedcopper(DBC)技术将两块铜板组合。该团队构建了实验测试平台，对热管的传热性能进行测试，发现热管的抗重力性能非常优秀。朱胜利[22]发明了一种槽道形状烧结粉末吸液芯结构超薄热管，如1.7所示。该发明是将金属粉末烧结在圆柱形热管的内壁，而在金属粉末层表面有均匀分布的凸起，相邻凸起之间形成微小的沟槽，最后通过压扁工艺获得超薄热管。该发明能够有效增强热管的轴向传热能力，提高传热效率，增强热管的导热性能。图1.7超薄热管结构示意图目前来说，限制复合吸液芯超薄热管被广泛应用的是复合吸液芯的制造工艺和在制造过程中出现的开裂、脱落和粉层厚度等问题，而其他简单型吸液芯与沟槽型组合的时候，要求在热管的内壁加工沟槽，这对热管的超薄化起到了不小的阻碍作用。当然，复合吸液芯热管还存在一个很重要的问题，那就是其造价相比简单型热管而言较高，这进一步限制其的发展。1.3.6无芯热管无芯热管，顾名思义，就是热管的内部并没有吸液芯结构，它主要依靠外力作用完成热管内部的工质循环，最常见的外力作用有重力作用、磁力作用、离心力作用，因为没有吸液芯，它的优点就是不用考虑微小结构的制造难题重力热管，又叫热虹吸热管，是目前市场上被使用最多的无芯热管，它的工作原理与吸液芯类型热管的最大不同点就是利用重力实现工质回流。Cohen和Bayley等[23]及Shiraish等[24]都对热虹吸热管的传热机理进行了一定的实验研究。热虹吸热管也有其局限性，那就是其受重力条件的限制，对放置的位置要求较高。1.4论文研究目标与内容本文首先说明本次课题研究社会意义和应用背景，然后介绍了热管强化传热机理；了解目前国内外对热管设计及制作的研究进展，主要是了解了热管吸液芯设计与制作方面的研究现状；接下来本文设计并制作了四种不同气液通道比例的铜粉烧结槽道平板热管。构建了热管传热性能测试的研究实验平台，测量不同气液通道比例热管的热阻、温度分布和启动特性，分析其性能特性寻找最佳气液通道比例并揭示其机理，通过理论与实验相结合的研究方法,深入细致了解热管工作的原理及其影响的因素，进行不同气液通道比例热管的传热性能实验并分析各种现象的机理，为进一步开发高效散热技术提供新的理论指导。1.5本章小结本章针对当前微电子设备亟需解决的散热问题，详细阐述了利用超薄微热管作为散热方案的可行性和必要性；介绍了热管的工作原理及其应用领域；同时介绍了国内外关于超薄平板热管、平板热管制造工艺和传热性能的相关研究；从本文的研究目标出发，提出了相应的研究思路及研究方法。第二章超薄平板热管的制作工艺2.1引言目前，市场上已经能够制作性能较为稳定的热管。一般制作平板热管可以分为两种形式：压扁型和焊接型。压扁型热管一般是根据实际需要对已经制作好的圆柱热管进行压扁，这使得它的形状较为固定，还会容易造成其内壁的毛细芯被破坏。而与压扁型热管相比，焊接型热管是在基板上进行毛细芯的制作，一种通过热焊接进行制作的手段，能够根据实际情况灵活设计各种各样的形式。本章将设计并制作厚度2.5mm的超薄平板热管和研究哪种制作工艺比较适合制作超薄平板热管。2.2热管的组成和材料选择2.2.1热管的组成如图2.1所示，是热管的结构示意图，其由盖板、底板、毛细芯、充液口、充液管组成。盖板、底板和充液管组成平板热管的外部结构，它们三个通过焊锡膏在焊接炉内进行扩散焊接；槽道多孔毛细芯作为热管的内部结构，分别为液态工质和气态工质提供回流和流动的通道，并且可以做到两者互不冲突。热管的内部为真空状态，这使液体工质的饱和温度大大降低，可以实现工质在远远低于常温常压的条件下进行沸腾，利用工质的汽化潜热实现强化传热。充液口主要用于放置充液管，使充液管可以作为注入工质和抽取管内空气的管道。毛细芯在热管工质内部循环中起到非常重要的作用。当热管没有工作时，有一部分工质被储存在毛细芯中。当热管工作时，热源的热量会由蒸发段管壁传递到热管的内壁，热管毛细芯内的液体工质会出现蒸发与沸腾现象，而内部的压力差与温度差会使气态的工质流动到冷凝段，之后蒸汽会在冷凝段发生冷凝。同时，液态的工质受毛细芯的毛细作用的影响，从冷凝段回到蒸发段，并且会进行新一轮的蒸发与沸腾，实现热量的转移，形成工质的内部循环。图2.1热管固体结构示意图2.2.2热管管材和工质热管材料的选择多种多样，在生产与实验中就出现了铝合金、钛、硅、聚合物、纯铜等。但在实际生产应用中，铝合金加工成本一直居高不下，钛的加工成本也是如此，而对于聚合物材料，其导热系数非常低且实际制作的过程中加工难度非常大，也不适合大量生产。纯铜具有优良的导热性能、加工成本低和良好的焊接性，这使它相比其他的材料更适合大批量生产和推广。因此，本文采用TU2（日本牌号C1020）无氧紫铜作为管材制作热管。表2.1和2.2分别是不同金属和非金属的导热率，表2.3是无氧紫铜的物理性质。表2.1金属导热率金属名称不锈钢铝合金钛铜导热系数/W·（m·k）-11720114.60391表2.2聚合物导热率聚合物导热系数聚合物导热系数/W·(m·K)-1/W·(m·K)-1聚乙烯33.5~52环氧树脂16.8~21聚丙烯11.7ABS18.9~33.5FR40.2聚氯乙烯12.6~29.3表2.3无氧紫铜物理性质密度熔点拉伸模量含铜量比热容导热系数/kg·m-3/ºC/Gpa%/J·(kg·K)-1/W·(m·K)-189401083115≥99.97385385除了材料，工质的种类也是影响热管传热性能的重要因素之一，即使是同一个热管，如果使用不同的工质，工质的表面张力不同会使热管产生巨大的性能差异。所以在热管的设计与制作中，要使其达到最佳的使用性能，必须根据使用环境选择合适的工质。以工质的适用范围为根据，通常将热管划分为低温热管、常温热管、中温热管和高温热管四种，不同类型热管的工作范围及其相关工质组成如表2.4所示。表2.4不同热管的温度范围与常用工质种类工质工作温度/℃低温热管氨-60~100氟利昂-21-40~100乙烷0~100丙酮0~120常温热管水30~250乙醇0~130甲醇10~130中温热管导热姆-A150~395导热姆-B147~300汞250~650高温热管钾400~1000钠500~1200银1800~2300本文所设计的超薄平板热管主要应用在电子设备领域，这属于常温热管的应用范围。常温热管常用工质的物理性质如表2.5所示，通过这个表我们可以发现水的汽化潜热值、表面张力值、导热系数、比热容都是最高的，最大的汽化潜热值意味着同样质量的工质量，用水作为工质的热管可以传递更多的热量，而最大的表面张力可以为热管提供更大的毛细压力。此外，水还具有价格低廉、无毒、污染、易获取等一系列优点，这些特点使水成为常温热管中最常用的工质。表2.5常用工质的物理性质工质沸点汽化潜热密度导热系数表面张力比热容/ºC/(kJ·kg-1)/(kg·m-3)/(W·m-1·K-1)/(10-3N·m-1)/(kJ·kg-1·K-1)甲醇64.71119.59750.80.20118.872.52乙醇78.3962.45758.10.16917.460.73丙酮56.2520.56748.50.16919.092.28水100.02251.20958.70.68058.914.22水-乙醇8921606.83958.40.42538.192.472.2.3热管的相容性由于热管需要长期使用，工质与管材的相容性也不能被忽略。热管的相容性指的是热管内的工质和热管管材不发生明显的物理、化学反应，主要看两者的相容性会不会造成热管被腐蚀，还有会不会产生不凝气体，这会对热管的使用造成不良影响，只有工质与管材能够相容才能保证热管的良好的传热性能和使用期限。不同管材与工质的相容性如表2.6所示。参考表格选取相容的热管管材与工质组合，避免由于热管的相容性可能导致的不良影响。表2.6热管相容性材料工质铝铜不锈钢钛甲醇×√√×乙醇√√√⚪丙酮√√√⚪水×√√√√相容×不相容⚪不确定综上所述，超薄热管的应用场合一般是高热流密度的电子电器领域，其工作温度一般低于100°C，处于常温阶段。在管材的选择上，最后选择TU2紫铜。在工质选择上，由于已经确定管材为铜，在常温热管中的常见工质均能满足需求。从经济角度、安全性和传热学角度分析，最终选用去离子水作为本文所设计热管的工质。紫铜和去离子水的组合实现了制备简单、成本低、无污染，有利于工业化的生产。2.3热管的毛细芯选择热管的毛细芯是影响热管的传热性能的重要因素，因此要对毛细芯进行甄选。2.3.1毛细芯的选型按照加工成型的方式的区别，毛细芯的制作一般被分为两种，一种是烧结型，一种是减材型。减材型是通过机械加工的方法，比如化学蚀刻、激光切割等方式实现，一般有矩形槽道、Ω形槽道等。而烧结型是通过高温烧结的方法将毛细芯材料固定在管材上，通常有铜粉、泡沫铜、丝网等材质。与减材型相比，烧结型毛细芯加工难度低，成本不高，所以其在一般的制作生产中更多被采用。以下简单介绍种毛细芯:（1）铜粉烧结铜粉热管是目前市场上主要的热管种类，因为它生产简单，成本低，毛细性能好，但存在渗透性低，反重力下性能差的问题。铜粉具有不同的几何形状，如球形和不规则形状，铜粉颗粒可根据使用条件自由组合。一般来说，可以通过使用不同形状的铜粉组合来烧结，以提高孔隙率。（2）丝网烧结丝网结构具有毛细力小，渗透率高的优点。然而，单层丝网烧结易于破裂并且厚度太小，这会导致工质量太少。因此，在一般的丝网烧结中，经常使用多层结构堆叠烧结。通常，在近壁面处使用大孔丝网，并且在其表面上覆盖一层小孔丝网。大孔径的高渗透性用于降低回流阻力，小孔径的高毛细力用于促进工质回流。然而，由于多层烧结，容易发生层间接触不良，这削弱了传热性能。（3）泡沫铜烧结泡沫金属材料是一种新型多孔结构，近年来得到了广泛的应用。它是通过冶金方法和电镀方法制备的。其特征是孔隙率非常高，一般可达到90％以上。然而，随着孔隙率的增加，它的力学性能和导热性都会相应降低。另外，由于它的生产成本高，制作难度大，以至于难以被用作常规的毛细管。（4）沟槽沟槽结构主要是通过机械挤压或者化学刻蚀等方式，在金属管材的管壁上加工出不同形状的槽道结构，其槽深、槽宽、槽道间隔距离以及形状均对传热性能有较大影响。相比其他类型的毛细芯，其具有最大的渗透率，但是毛细力也是最低。从第一章研究进展可知，相比单一毛细芯，复合毛细芯能提高更好的毛细力和渗透率，传统的复合毛细芯是用两种单一结构进行组合，在制作上不仅复杂而且两者会有较大的接触热阻，另外由于对于轴向传热热管有实际的需求，因此提出一种槽道多孔结构应用于超薄平板热管，槽道结构可以降低多孔结构内部的传质阻力，而且可以实现气液分离，蒸气从阻力小的槽道中溢出，使得多孔结构表面换热更为稳定。由于烧结铜粉能够提供更大的毛细力且制作工艺成熟，因此本文选用铜粉烧结并制作成槽道结构。2.4超薄平板热管的制作流程图2.7热管制作工艺流程图图2.7是超薄平板热管的制作流程图。主要过程包括：板材制作、清洗板材、板材烘干、铜粉填充、铜粉烧结、焊膏涂抹、压卯、扩散焊接、充液管焊接、测漏、高温还原、工质充填、封管点焊。2.4.1板材的制作板材是根据热管的需求进行设计，绘制图纸交予厂商进行设计制作。分为盖板和底板，其中底板的整体厚度为1.5mm，内部腔体的厚度为1mm，其制作方法是通过化学蚀刻。盖板的厚度为1mm，通过铜板冲压成型。下图2.8为底板和盖板实物图。图2.8成型后的外壳板（a）底板（b）盖板2.4.2板材的清洗由厂商生产的板材表面上的油污和金属残留物将影响热管的生产。此外，长时间将纯铜暴露在空气中会导致轻微氧化。因此，需要对热管进行清洁。首先，通过化学除油的方法去除表面上的润滑油，如使用除油剂。然后用清水洗涤并用抛光剂处理，主要目的是改善产品的外观，使其美观化，在浸泡和清洁之后，进行最终的抗氧化处理以防止铜板在环境中再被氧化。在三次处理的间隔期间，清水处理一定要彻底，防止有试剂残留，影响热管的性能。2.4.3板材的烘干被处理后的板材需要烘干。在烘干之前，需要先用高压氮气枪处理其表面上的液体，直到残留少许液体后才能放在烤箱中，这是为了保护干燥设备。烘干温度通常设定为120℃。干燥时间通常根据残留水量调节，通常控制为5分钟。2.4.4烧结铜粉填充采用烧结铜粉毛细芯的焊接型热管大多数采用的是石墨烧结法。根据设计的热管毛细结构，制作合适的石墨模具，将铜粉填充到模具后，通常有两种做法，一种是将底板或盖板与烧结模具一起放置在烧结夹具中，并将脱模剂喷射到夹具上。另一种方法是对烧结模具实施一次烧结，然后将已经烧结好的毛细管芯置于底板和盖板上进行二次烧结。在批量生产的时候，这两种方法都需要大量的石墨模具和脱模剂。如图2.9所示，是烧结石墨模具和铜粉填充后的效果图。图2.9传统的填粉方法（a）石墨模具（b）填粉后的石墨模具针对上述的问题，本文提出了一种铜粉填充方法，这个方法适合用于批量生产。如图2.10a所示是本文所设计的填充模具，这个模具选择铝材金属制作，一方面是为了轻便，另一方面是因为其制作方便。表面突起结构由毛细芯的结构决定，原理是用镜像填充毛细芯，也就是说，毛细管芯需要铜粉的地方金属被切成空白部分，而不需要铜粉的地方则保留金属实体，通过这种设计，可以在填充铜粉后获得所需的毛细芯结构。与上述两种传统制造方法相比，该方法里每个特定结构只需要一种烧结模具，在经济性和效率上都有了一定的提高。本文设计的模具表面突起高度为0.7mm，红圈标出的小孔是铜粉的进料口。图2.10c是填充了铜粉后底板的实物图，填充后的铜粉间隔明显，表面光滑。图2.11是一种自动填粉设备。填粉步骤具体如下：将图2.10b所示的热管底板放置在自动填粉设备上。如上所述，模具中间部分为突起结构，其高度为0.7mm，与底板的高度差是为了在底部烧结一层铜粉，强化工质的径向流动。另外模具宽度与底板宽度相同，是为了方便进行定位，防止填粉过程发生偏移，造成填粉失败。模具与底板正对扣，使模具的突起部分位于底板凹腔，通过调整模具与底板的位置使两者边缘对齐，随后启动填粉设备将铜粉通过模具红色标记处的小孔打入底板。待设备停止后将模具拿开，即可得到图2-10c所示结构。图2.10新型填粉方法（a）金属模具（b）底板（c）铜粉填充实物图图2.11自动充填设备2.4.5毛细芯的烧结当底板铜粉填充完毕后，需要在高温下烧结，烧结前，在铜粉上喷洒少量酒精，以防止在运动过程中出现的轻微碰撞引起的结构变形。将底板放入烧结炉中，在烧结炉关闭后抽真空，然后将氮气和氢气的混合气体作为保护气体和还原气体冲入烧结炉中。烧结温度设定为900℃，烧结时间为4小时，在保温过程结束后，就可以进行冷却处理。为了研究铜粉宽度和槽道宽度的比例对热管传热性能的影响，本文设计了四种不同的结构，其不同之处在于宽度的比例不同，具体参数将在第三章介绍。图2.12显示了不同宽度比例的毛细芯烧结后的成品。图2.12不同结构毛细芯2.4.6焊接组装与使用支撑柱的传统焊接型热管不同，本文提出的超薄扁平热管采用毛细芯本身作为支撑结构，简化了安装支撑柱这一道制作工序。焊接使用高温焊膏来进行烧结成型，从冷藏室中取出焊膏后，将其充分搅拌后并放置一段时间使其回温。在回复温度之后，重新搅拌焊膏直至稠度降低并且搅拌阻力明显降低。然后用喷枪将焊膏均匀地涂抹在底板的边缘上，在涂抹过程中，焊膏不能出现破裂，这是为了防止烧结后有部分位置发生泄漏。然后将盖板覆盖在底板上，调整左右两端使其对齐，通过液压机使上下板紧密接触，以防止焊接后出现空隙。将组装好的热管放置到烧结炉中，焊膏烧结过程和铜粉烧结使用的是同种烧结炉，只是设置的温度不同。焊膏烧结的温度设置为680-710°C，恒温过程设置为50分钟。整个烧结过程一般持续2小时即可。2.4.7充液管焊接在经过焊膏焊接之后，需要在充液口位置安装充液管。首先要选择合适的充液管，为了降低热管的厚度和方便工质的充填，充液管一般需要满足外径小，管壁薄的条件。但是在实际使用中，管壁过小的话，会导致在充液管焊接时铜管过快熔化导致内部被阻塞。综合以上，选择外径2mm，壁厚0.4mm的圆铜管作为充液管。将圆柱管适当的压扁，以方便其安装进充液口。在本文中，充液口的形状之所以设计为突出结构也是为了在安装充液管后形成较小缺口。将铜管装入之后，在铜管上放置磷铜环作为焊接材料，其熔点一般为700°C。焊接设备采用的是高周波焊接机，原理是介质材料在高频电磁的作用下击活正电分子，使介质材料的正电分子高速运动，摩擦产生热量，能在极短时间内产生高温使焊材融化，但是由于其上温迅速，容易出现温度过高，导致铜管熔化的可能，因此在上述管径的选择上没有选择过薄壁厚的。待焊料熔化充满间隙即可停止加热。如图2.13所示是高周波焊接机。图2.13高周波焊机2.4.8检测泄漏图2.14检测泄漏平台热管在焊接好之后需要进行检漏，采用的方式是加压测试。图2.14是侧漏装置。将热管连接在机位上，将其下降到水面下，打开旋钮将高压气体灌注到热管内部，如果在1分钟之内热管周围没有气泡产生即认为达到了密封要求。2.4.9还原处理在热管烧结之后会和空气接触，另外在焊接的同时，高温会使得毛细芯和管材被氧化，使得热管在成品后性能下降，因此需要对其进行还原处理。热管还原使用的是充入氮氢气体作为保护气氛和还原气氛的烧结炉，其温度设置为600°C，时间为1小时。2.4.10工质充填现有的热管充注方式分为灌注抽真空和抽真空灌注。两者的差异在于灌注和抽真空的顺序。灌注抽真空需要进行一次除气和二次除气过程，其步骤需要在不同的机组上实现。而抽真空灌注也称为负压充填，它是利用高抽设备将管内环境抽到高真空状态，然后进行工质的充填，由于其操作需要保持真空状态，因此过程上是在一台设备上实现。结合两种方式和实际情况，本文采用负压充填方式进行工质的充填。如图2.15是负压灌注设备，图2.16是工质充填后的充液管夹断过程。首先对热管进行粗抽操作，当达到设定值后关闭粗抽模式，打开精抽模式，待精抽达到设置要求后，设备自动关闭，并进行工质充填。工质充填后，进行自动夹断处理。在本文中，充液率100%定义为是毛细芯空隙被完全填满，本文热管充液率均采取80%。图2.15负压设备原理图图2.16热管负压充填系统原理图2.4.11封口焊接由于工质充填时的夹口只能在短时间起到密封作用，当内部压力过高时，容易导致热管出现泄漏，因此需要对其进行封口处理。焊接采用自动焊接机进行，将充液管尾端放置在焊枪处，通过起弧产生的高温使充液管融化，焊接完成后即可得到密封完好的热管。焊接完成后手持热管的上端将下端放置在的测温池中，当热管上端能在极短的时间内产生升温，即认为热管密封性达到了要求。具体的热性能则只能通过实验测试得出。2.5本章小结本章介绍超薄平板热管制作的整个过程，包括管材的选择、工质的种类、毛细芯的选型与及及热管制作的实际生产工序，为下一步实验阶段做好准备。第三章超薄平板热管水循环冷却传热性能实验研究3.1引言本章介绍了水循环冷却下的热管测试平台，并进行了误差分析，并制定了实验流程。定义了超薄平板热管传热性能的评价参数。主要参数为热阻，动态温度响应，温度分布，传热极限，蒸发段冷凝段温差和有效导热系数。通过分析不同铜粉宽度和槽道宽度的比例，总结了不同比例对热管性能的影响，并分析了原因。另外，还对比了热管与具有相同形状的纯铜板两者的传热性能。3.2水冷循环测试平台系统及误差分析图3.1超薄平板热管水冷式传热测试装置示意图1.直流电源2.安捷伦数据记录仪3.电脑4.热电偶5.电木模具6.加热铜块7.热管8.冷却铜块9.恒温水箱图3.2电木模具（a）未放置热管（b）放置热管以水冷却为冷却方式时，测试系统示意图如图3.1所示。以加热模块、冷却模块和数据记录模块组成一个系统。将整个热管放置在电木夹具中，电木的导热系数为0.23W/（m•k），此外，还要在电木表面贴上保温棉。两者的结合可以有效地防止测试设备与外部环境进行热交换。电木夹具如图3.2所示。将加热铜块和冷却铜块分别放在卡槽内，在表面涂好导热膏后将热管放入凹腔内，表面热电偶紧固后，用螺钉将盖板和底部锁紧，使热管与铜块以及热电偶的接触更贴合。表3.1列出了实验中使用的仪器和材料。表3.1实验材料和设备清单材料/设备名称型号生产商备注直流电源eTM6010C同门科技数据记录仪34972A安捷伦电脑5370戴尔热电偶TT-T-36-SLE上海圣优五金电木夹具3584497494淘宝加热铜块加热面积20×20mm3584497494淘宝冷却铜块60×30×20mm3584497494淘宝热管95×60×2.5mm广州华钻自制低温恒温水箱DC-2006无锡沃信加热棒50×Ф8壹悦精品36V×100W导热膏青梅银硅脂上海梓宏电子公司导热系数4.15W·（m·k）-13.2.1加热模块加热模块主要由加热金属棒、加热铜块、直流调压电箱组成，用于模拟实际热源环境。图3.3是热源的三维示意图。加热铜块由紫铜制成，模拟的加热面积为20mm×20mm。焊膏用于将热电偶焊接到上表面的槽道上，以监测加热块的表面温度。加热棒安装在底部的两个通孔中，通孔尺寸为Ф8.1mm，为了降低接触热阻，在试验前，将加热棒放入通孔时，在加热棒上涂一层导热膏，上表面也需要涂抹一层导热膏。如图3.4所示是直流电箱。直流稳压电箱用来提供加热棒所需要的电压，相比交流电源，直流电源能提供更稳定的电压。本次的直流电源能提供最高600W的加热功率，可以满足一般热管实验的要求。加热棒的最高功率可以达到100W，本文采用两根加热棒并联进行加热。图3.3热源三维图图3.4直流电源3.2.2数据采集模块图3.5热电偶分布数据采集模块由安捷伦数据记录仪、电脑和T型热电偶组成，热电偶的布置如图3.5所示，蒸发段布置3个（101、102、103），绝热段布置2个（104、105），冷凝段布置4个（106、107、108、109），另外还有1个布置在加热铜块的表面（110）。通过安捷伦将数据传输到电脑记录并保存。3.2.3冷却模块冷却模块包括冷却铜块、恒温水箱以及流量计。冷却铜块采用中间贯穿再封闭的方法制作而成，一端为进水口一端为出水口，为了防止泄露，所有需要螺纹锁紧的地方都需要缠绕水胶带。恒温水箱用来提供温度恒定的循环水。本次实验中水温恒定为30°C，水流量恒定为80L/h。图3.6冷却铜块图3.7恒温水箱3.2.4误差分析实验存在的误差主要是设备误差和热电偶误差，设备误差包括直流电箱功率误差、恒温水箱的温度误差、流量计的流量误差以及安捷伦的记录误差。采用Kline提出的经典误差分析方法对实验的误差进行分析。两种冷却条件下，均采用同样的直流电箱，根据设备铭牌，输出功率的相对误差为3%。恒温水箱的精度为0.05°C，输出水温为30°C，其相对误差为0.17%。所用流量计精度为0.001L/min，其循环水流量为80L/h，其相对误差为4.5%。根据安捷伦的技术说明书，其相对误差为1.4%。热电偶采用T型热电偶，其测试精度为0.5°C，测试的室内温度为25°C，其相对误差为2%。综合以上，热管测试的热阻误差不超过10%。3.2.5实验流程连接上述部件，确保设备能正常使用，要求热电偶与表面接触良好。打开安捷伦，设置间隔采样时间和热电偶参数，在实验之前开启，校准热电偶。打开恒温水箱，设定水温和流量。若上述热管各点温度无明显区别，则将热管置于电木底座内，待各点热电偶温度接近水温后开始测试。打开直流电源箱，调整加热功率，根据预实验，初始功率为5W，每10分钟增加5W，以保证试件达到稳定状态。当热源110的温度达到80°C或出现明显的骤增时，停止实验并收集数据。取出热管，冷却至室温，然后测试下一个样品.3.3性能评价参数

热管的传热参数主要是稳态性能和瞬时性能，其中稳态性能包括温度分布、热阻、有效导热系数、传热极限（热源温度超过80°C时的加热功率），瞬时性能主要是热管的动态温度响应。上述参数中，温度分布、传热极限和动态响应可以通过测试数据直接生成，而其他的参数则只能通过计算间接获得。各参数的计算公式如表3.2所示。表3.2热管计算公式计算量计算公式备注加热功率（W）Q=UIU、I分别是电源箱的电压与电流蒸发段温度（℃）T冷凝段温度（℃）T绝热段温度（℃）T热阻（℃/W）R=(当量导热系数（W/（m·°C））KA表示轴向热管的截面积，Leff表示本章主要研究了铜粉宽度和槽道宽度比例对热管性能的的影响，有四种不同比例的铜粉宽度和槽道宽度。本文的热管腔体宽度为54mm，中间烧结有4mm宽，高度为1mm的铜粉作为支撑结构，支撑结构的两边底部烧结有0.3mm的铜粉作为径向回流的通道。宽度比定义为支撑结构两端的腔体中铜粉槽道与槽道的比例，四种比例分别是—7:3、6:4、5:5、4:6，对应的铜粉宽度和槽道宽度分别是35mm+15mm、30mm+20mm、25mm+25mm、20mm+30mm，分别标记为1、2、3、4，热管80-1即采用80-120目铜粉，铜粉宽度和槽道宽度为35mm+15mm。3.4铜粉宽度和槽道宽度比例对热管性能的影响（a）（b）（c）（d）图3.11不同比例热管的动态温度响应（a）:80-1（b）:80-2（c）:80-3（d）:80-4如图3.11所示为各不同比例热管动态温度响应，从图可以看出，各点温度随着时间的增加而升高，但是蒸发段温度（101）随着时间的增加却没有达到稳定值，而是以一定的斜率逐渐增长，这种现象表示热管达到最大传热极限，热管80-4达到传热极限最快，然后依次为80-1、80-2、80-3。（a）（b）(c)(d)图3.12不同比例热管的温度分布(a):80-1(b):80-2(c):80-3(d):80-4图3.13不同比例热管的热阻变化图3.12a是铜粉宽度和槽道宽度比例为7:3时热管的温度分布。热管各点的的温度随着加热功率的增大开始出现突增的情况，但再上升一段时间后，热管各点的温升趋于平缓，各个位置保持同样的上升趋势。随着加热功率的继续增大，热管热源和蒸发段101的温度出现温升增大的趋势，结合图3-13的热阻图，可以看出热阻出现了些微的上升，说明热管出现了部分烧干现象，在热管达到传热极限60W时的热阻值是0.143°C/W。图3.12b是铜粉宽度和槽道宽度为6:4时热管的温度分布。热管各点的温度也是随着加热功率的增大出现突增，随着加热功率的增大，该趋势趋于平稳，但是不同于3-12a，热管各点的温度在高功率时没有出现明显的突增，说明该热管在高功率下依然能够正常工作。从图3-13可以看出热阻随着加热功率的增大一直在减少，在传热极限达到80W时的热阻值时0.079°C/W。图3.12c是铜粉宽度和槽道宽度为5:5时热管的温度分布。该比例下热管的性能表现与比例为6：4的热管相似，在高功率下热管没有出现温度突增的情况，相比上一种比例，该热管蒸发段、绝热段和冷凝段的温度分布更加均匀，意味着等温性能更加优异。在传热极限85W时的热阻值是0.067°C/W。图3.12d是铜粉宽度和槽道宽度为4:6时热管的温度分布。不同于上述三种比例，该热管在加热功率较小时，各点的温度上升较大，随着加热功率的继续增大，温升趋于平缓，且在后期没有出现温升突增现象，说明热管在小功率时没有正常启动，导致前期温度上升过大，随着功率的增大，热管进入正常运行状态，从图3-13可以看出，该热管在前期热阻较大，甚至高于同功率下的铜板，但是随着加热功率的增大，热阻出现明显下降。在传热极限达到50W时的热阻值是0.147°C/W。结合图3.13可以看出，80-2和80-3的性能优于80-1和80-4，其中80-1在较大功率下出现了些微的热阻增加，但是依然能达到60W的传热极限。对于热管80-4，其热阻和传热极限都出现了最小。分析其原因主要是铜粉宽度和槽道宽度的变化。对于槽道多孔结构热管，铜粉结构小孔是作为液态工质回流通道而大孔用于蒸汽排出，而槽道结构作为蒸汽流动通道。在本文中，热管的总宽度是确定的，铜粉宽度增大势必会造成槽道宽度减少。在铜粉通道宽度过大时（即槽道宽度过小时），会存在蒸汽难从毛细芯中排出，导致阻力过大，而铜粉通道宽度过小时（即槽道宽度过大时），在相同的加热功率下，蒸发面积过小，液态工质只有少量能转变为气态工质，导致热管内部的压强过低，不足以推动蒸汽到冷凝段，此时热管仅相当于中空金属管，因此对于热管80-4出现了前期热阻过大，甚至大于同加热功率下的铜板，随着加热功率的增大，内部压强增大，蒸汽工质能迅速到达冷凝段，因此热阻出现陡降，另外虽然热管的充液率都一样，但是由于热管80-4的毛细芯体积小，因此其充液量也是最低，导致传热极限低。对于热管80-1，由于其铜粉宽度过大，蒸汽难以迅速排出槽道通道，因此热阻会高于热管80-2和80-3。图3.14不同比例热管的有效导热系数图3.15热管铜板的传热极限以及热阻3.14是不同比例热管的当量导热系数与加热功率的关系，从图中可以看出随着加热功率的增大，热管的有效导热系数也在增加，说明热流密度的增加能提升热管的导热性能。在达到传热极限时，不同比例热管的最大导热系数能接近6000W/（m·°C），最小导热系数也超过了2000W/（m·°C），对比纯铜的导热系数391W/（m·°C），热管的导热系数是纯铜的5倍。图3.15是不同热管和铜板的传热极限和热阻，热管80-2和80-3的差异较小，虽然80-3的性能更好，但是在实际制作中，槽道宽度越大，热管出现部分塌陷的可能性越大，因此结合热管性能和热管成品率，80-2在实际生产中会更适合。3.5本章小结本章介绍了超薄平板热管水循环冷却传热性能实验平台的搭建。该实验平台通过改变超薄平板热管铜粉宽度与槽道宽度的比例来改变热管的传热性能。同时还介绍了实验的具体操作步骤和选取合适的热管评价参数与及如何处理实验数据，进行误差分析。利用实验平台测试了不同气液通道比例热管的热阻，动态温度响应，温度分布，传热极限，蒸发段冷凝段温差和有效导热系数，分析不同比例对热管传热性能的影响，最后通过对比不同比例的热管的各类传热性能评价参数，与及考虑实际生产，选取出适合生产制作的最佳气液通道比例为6：4。第四章总结与展望4.1本文总结本文先了解了热管在国内外电子元器件散热领域的应用情况，然后介绍了热管强化传热结构与热管强化传热的原理，特别是平板热管的传热原理与特性，回顾了超薄平板热管目前在国内外的部分研究成果，并介绍了本文的研究内容。本文设计了超薄平板热管制作的整个流程，制作了气液通道比例分别为7：3、6：4、5：5和4：6等四种超薄铜粉槽道平板热管作为实验材料，搭建了水循环冷却下的超薄平板热管测试平台，并对其进行误差分析，制定实验流程。测试了四种不同比例热管的热阻、动态温度响应、温度分布、传热极限、蒸发段冷凝段温差、有效导热系数等。通过比较不同比例热管的各项传热性能评价参数，得出以下结论：（1）不同的气液通道比例会对铜粉槽道平板热管的传热性能造成影响，四种不同比例中，热管气液通道比例为5：5是其传热性能最佳，其次为6：4，此比例下超薄平板热管的传热性能比气液比例为5：5时略低，但相差不大，再到7：3，最后为4：6。（2）随着加热功率的增大，热管的有效导热系数也会提高，说明热管的热流密度的增加能提升热管的导热性能。（3）四种不同热管的传热性能都要远远优于纯铜板。（4）槽道的宽度会影响热管制作的成功率，槽道宽度越大，热管出现部分塌陷的可能性越大。综上所述，结合传热性能与成品率，气液通道比例为6：4时最佳。4.2展望本文在对超薄平板热管在实验和理论方面虽然取得了些许成果，但由于本人的能力和精力有限，本文还有许多要改进的地方，比如:热管的气液通道比例设置得不够精细，设置的比例组数有限。影响超薄平板热管的传热性能因素多种多样，还需要更进一步探索。

参考文献[1]CHENPH，CHANGSW，CHIANGKF，etal.Highpowerelectroniccomponent：Review[J].RecentPatentsonEngineering，2008，1(4)：174-188.[2]王辉，汤勇，余建军.相变传热微通道技术的研究进展[J].机械工程学报，2010，46(24)：101-106.[3]LVLC，LIJ.Microflatheatpipesformicroelectronicscooling:review[J].RecentPatentsonMechanicalEngineering，2013，6(3)：169-184.[4]GARIMELLASV.Advancesinmesoscalethermalmanagementtechnologiesformicroelectronics[J].MicroelectronicsJournal，2006，37(11)：1165-1185.[5]MARCINICHENJB，THOMEJR，MICHELB.Coolingofmicroprocessorswithmicro-evaporatio：Anoveltwo-phasemcoolingcycle[J].InternationalJournalofRefrigeration，2010，33(7)：1264-1276.[6]MARCINICHENJB，OLIVIERJA，LAMAISONN，etal.Advancesinelectronicscooling[J].HeatTransferEngineering，2013，34(5-6)：434-446.[7]WANGC，LIUZ，ZHANGG，etal.Experimentalinvestigationsofflatplateheatpipeswithinterlacednarrowgroovesorchannelsascapillarystructure[J].ExperimentalThermalandFluidScience，2013，48(7)：222-229.[8]PUTRAN，YANUAR，ISKANDARFN.Applicationofnanofluidstoaheatpipeliquid-blockandthethermoelectriccoolingofelectronicequipment[J].ExperimentalT