微熱管及其傳熱理論分析

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上微熱管及其傳熱理論分析摘 要：隨著微電子制造技術(shù)的快速發(fā)展，微熱管在航天器熱控系統(tǒng)、微電子元器件散熱等領(lǐng)域中有著廣泛的應(yīng)用。微熱管是利用密封在管內(nèi)工質(zhì)相變進(jìn)行熱量傳輸?shù)钠骷?，具有體積小、重量輕、傳熱效率高、成本低、易于集成、無(wú)需外加動(dòng)力等顯著優(yōu)點(diǎn)，能有效解決目前微小型器件和芯片的散熱問(wèn)題，具有廣泛的應(yīng)用前景。作者綜述了微熱管的發(fā)展與當(dāng)前研究現(xiàn)狀，詳細(xì)介紹了微熱管的工作原理，并指出微熱管與常規(guī)微熱管的區(qū)別，對(duì)槽道式平板微熱管進(jìn)行理論分析，最后展望了該領(lǐng)域的未來(lái)研究方向。 關(guān)鍵詞：微熱管，工作原理，平板微熱管， 引 言 隨著電子科技技術(shù)的進(jìn)步，許多電子產(chǎn)品向著高性能化、高

2、功率化和小型化方向發(fā)展，同時(shí)產(chǎn)品的高集成度使其散熱空間更為狹小，導(dǎo)致了電子元器件單位面積的熱量急劇上升，如高性能微處理器的熱流密度已達(dá)到100W/cm21。元器件的溫度每升高10，系統(tǒng)的可靠性降低502，所以必須采用高效的傳熱技術(shù)對(duì)電子元器件進(jìn)行散熱。 微熱管是一種利用相變傳熱的高效傳熱元件，其導(dǎo)熱能力大大超越了銅、鋁材料的空氣強(qiáng)制對(duì)流散熱方案3-4，因此，具有高導(dǎo)熱率、良好的等溫性，以及結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)1,5的微熱管成為微電子散熱領(lǐng)域的關(guān)鍵元件，并廣泛應(yīng)用于各種電子產(chǎn)品。其中平板微熱管由于其良好的蒸發(fā)吸熱特性和形狀易于與芯片貼合等優(yōu)點(diǎn)被越來(lái)越多地應(yīng)用于高效散熱中。而微熱管或熱管內(nèi)微結(jié)構(gòu)具有強(qiáng)化

3、傳熱傳質(zhì)的作用，引起研究者越來(lái)越多的關(guān)注。 1. 微熱管的發(fā)展與國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀 微熱管是利用密封在管內(nèi)工質(zhì)相變進(jìn)行熱量傳輸?shù)钠骷?，具有體積小、重量輕、傳熱效率高、成本低、易于集成、無(wú)需外加動(dòng)力等顯著優(yōu)點(diǎn)，能有效解決目前微小型器件和芯片的散熱問(wèn)題，具有廣泛的應(yīng)用前景。 1944 年Gaugler第一次提出了熱管的工作原理；1963 年美國(guó)應(yīng)用物理雜志報(bào)道了世界上的第一根熱管；1984 年Cotter等人提出了熱管微型化的設(shè)想，為微熱管的研究開(kāi)辟了道路；1984年，T.P.Cotter 在第五屆國(guó)際熱管會(huì)議上首次提出了微熱管的概念，并指出微熱管在用于電子芯片冷卻散熱領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。 關(guān)于微

4、熱管的研究，最初集中于幾個(gè)厘米長(zhǎng)，工質(zhì)通道橫截面為帶有尖角區(qū)域的圖形，通道的水力半徑在10m100m 的單根微熱管。工質(zhì)回流主要靠的是橫截面尖角區(qū)域所形成的毛細(xì)力。這種單根微熱管主要應(yīng)用在傳輸熱量不是很大，但要求溫度分布均勻穩(wěn)定的領(lǐng)域。隨后微熱管的研究分別從實(shí)驗(yàn)研究和理論研究?jī)煞矫嬷鸩秸归_(kāi)，研究結(jié)果均體現(xiàn)出這一傳熱元件相比其它傳熱手段具有效率高而無(wú)需外加動(dòng)力的優(yōu)點(diǎn)。而關(guān)于微熱管結(jié)構(gòu)的研究也從單根微熱管逐步發(fā)展到微熱管陣列，即在固體基板上開(kāi)出一簇簇微型槽道，這樣的方式大大提高了微熱管的傳熱能力，但這只是單根微熱管的一種簡(jiǎn)單的并列組合。進(jìn)一步的改進(jìn)是具有連通蒸汽腔的平板微熱管。平板微熱管通過(guò)連通蒸

5、汽腔降低了氣液界面高速對(duì)流產(chǎn)生的界面摩擦力，使熱管的傳熱能力進(jìn)一步提高，從而成為目前微熱管領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。2. 微熱管工作原理 圖l所示為微熱管工作原理示意圖。根據(jù)微熱管內(nèi)部蒸汽流動(dòng)情況，沿其軸向可分為蒸發(fā)段、絕熱段和冷凝段。從結(jié)構(gòu)上分析，微熱管包括管殼、毛細(xì)吸液芯和工作介質(zhì)(液流)。為降低熱阻和工作介質(zhì)沸點(diǎn)，提高微熱管工作效率，管殼內(nèi)部需保持一定的真空度。在微熱管工作時(shí)，工作介質(zhì)在蒸發(fā)段吸收熱源熱量發(fā)生相變，蒸汽流經(jīng)過(guò)絕熱段到達(dá)冷凝段釋放熱量并凝結(jié)為液體，冷凝液流在毛細(xì)吸液芯的毛細(xì)作用下回流到蒸發(fā)段，如此循環(huán)下去，微熱管不斷將熱量從熱源帶走。熱量由一端傳向另一端，在整個(gè)熱量傳遞的過(guò)程中主要包

6、含以下六個(gè)相互關(guān)聯(lián)的過(guò)程： （1） 熱量從熱源通過(guò)管壁和充滿工作液體的管芯傳遞到液汽分界面； （2） 液體在蒸發(fā)段內(nèi)的液汽分界面上蒸發(fā)； （3） 蒸汽腔內(nèi)的蒸汽從蒸發(fā)段流到冷凝段； （4） 蒸汽在冷凝段內(nèi)的汽液分界面上凝結(jié)； （5） 熱量從汽液分界面通過(guò)管芯、液體和管壁傳給冷源；（6） 冷凝后的工作介質(zhì)液體在管芯內(nèi)毛細(xì)力作用下回到蒸發(fā)段。 3. 微熱管與常規(guī)熱管的區(qū)別 微熱管的結(jié)構(gòu)及工作原理與常規(guī)熱管類似，最大的區(qū)別是常規(guī)熱管內(nèi)部通常存在專門提供毛細(xì)力以供工質(zhì)回流的毛細(xì)吸液芯；而微熱管則主要是通過(guò)溝道尖角區(qū)完成工質(zhì)的回流6。微熱管穩(wěn)態(tài)工作時(shí)，微熱管蒸發(fā)段受到外界加熱，熱量通過(guò)熱管管壁及液態(tài)工質(zhì)

7、傳遞到汽液分界面，使工作液體在蒸發(fā)段內(nèi)的汽液分界面上蒸發(fā)。由于液體蒸發(fā)，蒸汽腔內(nèi)產(chǎn)生壓差，而蒸汽正是在這壓差的作用下由蒸發(fā)段流向冷凝段并在冷凝段內(nèi)的汽液分界面上凝結(jié)，釋放出熱量。熱量通過(guò)液態(tài)工質(zhì)和管壁傳給冷源，最后由于熱管內(nèi)腔尖角區(qū)域的毛細(xì)作用使冷凝后的工作液體回流到蒸發(fā)段7。 圖2給出了常見(jiàn)的微熱管溝道截面結(jié)構(gòu)。如前所述，微熱管與常規(guī)熱管最大的差別在于微熱管依靠溝道尖角區(qū)提供毛細(xì)力，理論分析發(fā)現(xiàn)只要是非圓形的截面都能提供或大或小的毛細(xì)力。微熱管發(fā)展之初，常用的溝道結(jié)構(gòu)主要是簡(jiǎn)單的三角形和矩形結(jié)構(gòu)，如2圖中(a)、(b)、(c)所示。隨著機(jī)械加工和其他各種加工技術(shù)的發(fā)展，一些比較不規(guī)則的結(jié)構(gòu)也

8、進(jìn)入研究之列，如圖2-2 中(d)、(e)、(f)所示。在實(shí)際應(yīng)用中采用哪種溝道結(jié)構(gòu)主要由應(yīng)用場(chǎng)合、熱管材料、加工方法等共同決定。 4. 微熱管的傳熱極限 微平板熱管通過(guò)相變換熱的工作機(jī)理使其具有很強(qiáng)的傳熱能力，但也不能無(wú)限制的增大其熱載荷，熱管工作過(guò)程中也受到很多因素影響存在一定的傳熱極限。傳熱極限的大小是由熱管的內(nèi)部流道結(jié)構(gòu)、外部形狀特征、管殼材料、加工方法、工質(zhì)特性、工作溫度等共同決定的。而多種影響因素分別產(chǎn)生的傳熱極限中最小值即決定了微熱管的最大傳熱能力8。通過(guò)國(guó)內(nèi)外大量研究發(fā)現(xiàn)目前對(duì)微熱管性能影響最大的幾種常見(jiàn)傳熱極限為：工質(zhì)回流極限、工質(zhì)沸騰極限、氣體冷凝極限、對(duì)流攜帶極限、蒸汽壓

9、力極限等?，F(xiàn)對(duì)其逐一介紹：（1）工質(zhì)回流極限 隨著熱管蒸發(fā)段熱載荷的不斷增加，液體由冷凝段流向蒸發(fā)段的速度不能無(wú)限制增大，會(huì)受到毛細(xì)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的驅(qū)動(dòng)力的限制，為此稱其為工質(zhì)回流極限。此時(shí)當(dāng)熱量超過(guò)此極限值，由毛細(xì)力作用回流的冷凝工質(zhì)便滿足不了蒸發(fā)段的需求，結(jié)果會(huì)在熱管蒸發(fā)段發(fā)生干涸現(xiàn)象，蒸發(fā)段溫度急劇升高，嚴(yán)重時(shí)就會(huì)出現(xiàn)燒損等情況。微熱管與常規(guī)熱管相似，工質(zhì)回流極限依然是影響其傳熱能力的主要問(wèn)題，而且對(duì)于微熱管而言，靠溝道尖角區(qū)域回流工質(zhì)時(shí)更容易產(chǎn)生工質(zhì)回流不足的現(xiàn)象，因此工質(zhì)回流極限對(duì)微熱管的影響更為突出。 （2）工質(zhì)沸騰極限 隨著熱管蒸發(fā)段熱量的增加，蒸發(fā)段徑向熱流密度或熱管內(nèi)壁液體溫度過(guò)高

10、，會(huì)在與管壁接觸液體的核化中心產(chǎn)生沸騰氣泡，而熱管的吸液芯結(jié)構(gòu)會(huì)阻礙氣泡脫離吸液芯結(jié)構(gòu)，因此氣泡停留在液態(tài)工質(zhì)回流的路徑上會(huì)阻礙工質(zhì)的回流。若產(chǎn)生氣泡較多時(shí)，會(huì)在工質(zhì)和管壁之間形成蒸汽層，使氣體和管壁之間的熱阻迅速增大，也會(huì)導(dǎo)致管壁溫度快速增高，造成蒸發(fā)段干涸或者熱管燒損的現(xiàn)象。通過(guò)研究發(fā)生工質(zhì)沸騰極限時(shí)氣體的臨界熱流和臨界過(guò)熱度可以發(fā)現(xiàn)微熱管的工質(zhì)沸騰極限由熱管工作條件和沸騰氣泡產(chǎn)生的臨界半徑共同決定。 （3）氣體冷凝極限 微熱管冷凝段的冷卻能力可能會(huì)受到兩種情況的限制：一種是充液量過(guò)大，微熱管的實(shí)際工況與最佳工況有偏差，過(guò)量的工質(zhì)在微熱管冷凝段堆積，使換熱面積變小，從而使微熱管的性能降低或

11、工作失效；另一種是不凝氣體的存在，影響了冷凝段的冷凝效率。 （4）對(duì)流攜帶極限 隨著微熱管熱載荷的不斷增大，工質(zhì)流道中的液態(tài)和氣態(tài)工質(zhì)的流速都會(huì)不斷增大，會(huì)在氣液交界面上產(chǎn)生對(duì)熱管影響較大對(duì)流剪切力。當(dāng)這個(gè)剪切力增大到一定程度時(shí)，氣流會(huì)將部分液態(tài)工質(zhì)卷入氣流中，從而減少了液態(tài)工質(zhì)回流到蒸發(fā)段的量。這種現(xiàn)象發(fā)生時(shí)會(huì)大大降低熱管的傳熱能力，使其過(guò)早達(dá)到傳熱極限。 （5）蒸汽壓力極限 又稱之為粘滯極限，當(dāng)熱管的工作溫度較低時(shí)，內(nèi)部氣態(tài)工質(zhì)較為稀薄，會(huì)出現(xiàn)分子不連續(xù)現(xiàn)象，而由于管壁與氣體分子的粘滯力作用會(huì)使氣態(tài)工質(zhì)在冷凝段末端出現(xiàn)壓降變小的狀況，使其內(nèi)部整蒸汽的運(yùn)動(dòng)受到限制，導(dǎo)致熱管的傳熱能力受到一定

12、的影響。 5. 槽道式平板微熱管理論分析 本節(jié)將以微槽道平板微熱管為例，如圖3所示，利用一維穩(wěn)態(tài)模型，對(duì)影響其性能的幾個(gè)結(jié)構(gòu)性問(wèn)題做定量分析，指出其性能可進(jìn)一步提高的潛在范圍，并提出通過(guò)結(jié)構(gòu)改進(jìn)的方案和意義。5.1 微槽道平板微熱管的一維穩(wěn)態(tài)模型 一維穩(wěn)態(tài)模型是目前最為常用的用于預(yù)測(cè)平板微熱管傳熱能力、分析其內(nèi)部工作過(guò)程的一種理論分析方法，其計(jì)算結(jié)果能準(zhǔn)確反應(yīng)微熱管的工作狀態(tài)平板微熱管的一維穩(wěn)態(tài)模型通常利用有限容積法建立，即將所研究對(duì)象。通過(guò)某種方法劃分為若干個(gè)有限容積單元，在每個(gè)有限容積單元內(nèi)選取控制節(jié)點(diǎn)；再分別對(duì)每個(gè)有限容積單元列出守恒方程，并對(duì)其進(jìn)行離散化處理，得出離散化方程組；最后通過(guò)

13、數(shù)值方法將其求解。 5.2 模型的假設(shè)條件 平板微熱管工作時(shí)內(nèi)部發(fā)生復(fù)雜的流動(dòng)、相變、傳熱過(guò)程，一維穩(wěn)態(tài)模型只能將其物理過(guò)程簡(jiǎn)化處理。因此，參照國(guó)內(nèi)外相關(guān)理論研究，在保證模型計(jì)算精度的前提下，為使模型簡(jiǎn)化需做出如下假設(shè)： （1）熱管工作在穩(wěn)定的條件下，不考慮微熱管的瞬態(tài)和不穩(wěn)定狀態(tài)，因?yàn)橹挥性跓峁芴幱诜€(wěn)態(tài)時(shí)，后文的質(zhì)量守恒方程才是準(zhǔn)確有意義的；（2）氣體和液體工質(zhì)的密度為恒定值，均為不可壓縮流體，因?yàn)樵趯?duì)流體建立動(dòng)量守恒方程時(shí)要求流體不可壓縮，只有這樣動(dòng)量守恒方程才準(zhǔn)確有意義；（3）液態(tài)工質(zhì)達(dá)到穩(wěn)定工作狀態(tài)時(shí)其液體表面彎月面半徑僅沿軸向變化，因?yàn)槭且痪S模型，無(wú)法考慮其在其它方向的變化；（4）同

14、理工質(zhì)的物理參量也只能沿軸向發(fā)生變化，例如壓強(qiáng)、流速等均取其在流體橫街面上的平均值。 5.2.1模型的控制方程 在建立控制方程之前對(duì)微熱管進(jìn)行有限元?jiǎng)澐?，如圖4所示為微熱管內(nèi)部某槽道的剖面圖，其近似給出了液體與氣體穩(wěn)態(tài)工作時(shí)的分布圖，沿?zé)峁茌S向?qū)澐譃槿舾蓚€(gè)長(zhǎng)度為dz的有限元體積， 圖4中也給出了單個(gè)有限元體積的示意圖，下文中將對(duì)單個(gè)有限元體積建立相應(yīng)的控制方程。（1）質(zhì)量守恒方程 對(duì)于有限容積單元dz，在其處于穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)滿足質(zhì)量恒定，即單位時(shí)間內(nèi)流入有限容積單元dz和流出dz的質(zhì)量是相等的，如圖5所示。 因?yàn)闊峁芄ぷ髟诜€(wěn)定狀態(tài)，且對(duì)于任意一個(gè)有限容積單元都應(yīng)處在穩(wěn)定狀態(tài)所以每一個(gè)有限容積單元

15、內(nèi)都應(yīng)滿足質(zhì)量守恒定律，即單元內(nèi)工質(zhì)質(zhì)量為恒定值，且隨著時(shí)間的變化該恒定值是不變的。因此對(duì)于某一有限容積單元流入質(zhì)量與流出質(zhì)量的差值為發(fā)生相變的質(zhì)量。相變的質(zhì)量可以由 m = Q×fgh 得出，其中Q為吸收或放出的熱量，fgh 為汽化潛熱，m為相變液態(tài)工質(zhì)的質(zhì)量。當(dāng)微熱管槽道數(shù)為N 時(shí)，則Q=N×m×fgh，那么單根槽道內(nèi)發(fā)生相變的液態(tài)工質(zhì)質(zhì)量是： （2）動(dòng)量守恒方程 本文仍以液態(tài)工質(zhì)流動(dòng)為主要研究對(duì)象。在此前我們已經(jīng)闡述了微槽道內(nèi)液相工質(zhì)流動(dòng)的工作原理：由于蒸發(fā)段與冷凝段毛細(xì)半徑值的不同所產(chǎn)生的毛細(xì)力的作用，使得微槽道內(nèi)的液體會(huì)從冷凝段流回蒸發(fā)段，微槽道所提供的

16、毛細(xì)力的大小與這兩個(gè)毛細(xì)半徑之間的差值是成正比關(guān)系。在毛細(xì)力的作用下液態(tài)工質(zhì)體由冷凝段流向蒸發(fā)段的過(guò)程中還受到其它作用力的影響，如重力、壓力和摩擦力等。在微槽道內(nèi)液態(tài)工質(zhì)流動(dòng)的動(dòng)量守恒方程式中，關(guān)于摩擦力項(xiàng)的部分爭(zhēng)議較大，而關(guān)于重力和壓力的動(dòng)量項(xiàng)定義都不存在任何分歧。實(shí)際上摩擦力項(xiàng)應(yīng)由槽道壁面產(chǎn)生的摩擦力和反向流動(dòng)蒸汽與液態(tài)工質(zhì)之間長(zhǎng)生的高速對(duì)流剪切力兩部分組成。而在氣態(tài)工質(zhì)的流動(dòng)過(guò)程中，也存在這兩種摩擦力影響，其中不可以忽略液態(tài)工質(zhì)流動(dòng)對(duì)蒸汽作用的摩擦力。圖6對(duì)整個(gè)動(dòng)量關(guān)系有詳細(xì)的描述。 （3）Laplace-Young方程 微熱管在工作時(shí)，蒸汽在冷凝段冷凝，液體在冷凝段增多，使彎月面半徑變

17、大；而液體在蒸發(fā)段受熱蒸發(fā)，液體向尖角區(qū)流動(dòng)，使毛細(xì)半徑變小。槽道內(nèi)部的毛細(xì)作用就是由這種冷凝段和蒸發(fā)段之間的毛細(xì)半徑之差產(chǎn)生的。彎月面的產(chǎn)生是由于工質(zhì)表面張力、氣提壓強(qiáng)和液體壓強(qiáng)之間共同作用的結(jié)果，Laplace-Young方程給出了彎月面半徑和氣液壓強(qiáng)之間的關(guān)系： 5.2.2模型的求解過(guò)程 式(5-8)，(5-9)，(5-12)，(5-13)，(5-15)和(5-16)給出的邊界條件，建立了微 熱管一維穩(wěn)態(tài)的毛細(xì)流動(dòng)模型。 上述模型的方程組建立完畢后可以在MATLAB環(huán)境下采用四階Runga-Kutta值積分算法建立迭代程序，對(duì)其進(jìn)行數(shù)值求解。在實(shí)際求解過(guò)程中，邊界條件0r是未知的，因此與

18、之對(duì)應(yīng)的r和lp的初值也是未知的，為能繼續(xù)求解需要給定0r一個(gè)假設(shè)的初值，然后通過(guò)迭代收斂求解其真實(shí)值。在固定某一輸入熱量且熱管正常工作情況下，即沒(méi)出發(fā)生蒸發(fā)段干涸時(shí)，其蒸發(fā)端處最小彎月面半徑minr是由微槽道尖角區(qū)域的幾何結(jié)構(gòu)決定的。而在冷凝端，液態(tài)工質(zhì)的最大彎月面半徑maxr，則是由槽道的幾何結(jié)構(gòu)參數(shù)和工質(zhì)與管壁間接觸角共同決定的，可以由下式給出： 因此在蒸發(fā)端液態(tài)工質(zhì)的彎月面半徑計(jì)算方法如下：首先給定蒸發(fā)端處的彎月面半徑0r一個(gè)任意小的初值；然后通過(guò)模型計(jì)算得出輸入熱量為inq時(shí)的彎月面半徑的軸向分布；再不斷增加0r 并不斷的通過(guò)模型計(jì)算出冷凝端處的彎月面半徑，直到其恰好等于maxr，則此時(shí)蒸發(fā)端處的彎月面半徑0r即為真實(shí)值。 當(dāng)彎月面初始值0r確定后，各參量沿微熱管槽道的軸向分布就可