两相散热材料均温板的工作原理

作者:兰洋科技    浏览量:3508    时间:2023年07月05日    标签: VC均温板 VC均热板 吸液芯

近年来,电子元件越来越呈现出微型化和高功耗的发展趋势,如何解决电子元件因高发热量而导致性能下降的问题引起了人们的广泛关注。其中,热管两相冷却设备因相变产生较大的热导率而成为高效的传热器件。伴随着热管散热技术应用领域的持续扩展,人们已经根据一些特殊场合要求制造出了多种异形热管,如脉动热管、环路热管LHP)、毛细泵抽吸两相回路热管(CPL)以及各种微热管。

由于许多设备的表面是平面,为满足此类设备的散热需求,1969 年,Sheppard首先设计出一种用矩形断面的热管来冷却集成电路的底板,在此研究基础上,Feldman 提出了均温板,将吸液芯结构化,使得工质在吸液芯提供的毛细压头作用下能够实现在密闭空间的循环流动,获得了美国专利局的专利授权。随后,均温板被广泛应用于微电子器件、空间热控制等领域。

1.均温板的工作原理

均温板由密闭容器、毛细结构和工作流体组成,为保证均温板具有高效的换热性能,通常外壳采用热导率较高的材料,内壁四周附着吸液芯,为满足耐压需求,一些均温板内部设计有实心柱、烧结柱或在实心柱外表面附着吸液芯形成烧结环,如图1所示。

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图1 均温板的工作原理

当均温板底部施加热量时,液体随热量增加而蒸发,蒸汽上升到容器顶部产生冷凝,依靠吸液芯回流到蒸发面形成循环。均温板相比于传统热管轴向尺寸大大缩短,减小了工质流动阻力损失以及轴向热阻。同时径向尺寸有所增加,显著增加了蒸发面和冷凝面的面积,具有较小的扩散热阻和较高的均温性。这种特殊结构提高了均温板的散热能力,使得被冷却的电子设备可靠性增加,为解决有限空间内高热流下的均温性问题提供了新的解决思路。

目前,均温板已经应用在一些高性能商用和军用电子器件上,随着加工技术的发展,均温板朝着越来越薄的方向发展。受扁平均温板内狭小空间的限制,微型吸液芯的结构及制备方法、蒸发冷凝及工质输运机理等较普通热管有所不同,例如:

①传统热管沸腾和凝结不存在相互干扰,而在均温板中沸腾和凝结发生在相距 1~2mm 的蒸发面和冷凝面上,气泡的行为受到了有限空间的限制,导致传热特征发生了变化;②传统热管截面为圆形,强度较高,而均温板截面为扁平形状,强度较低。为满足耐压需求,在均温板内部一般设计有一定数量的烧结环或烧结柱,可以同时将上下毛细芯连接在一起,缩短回流路径,加快循环过程,很大程度上提高均温板的传热性能;③热管的压力损失主要包括吸液芯结构层中与管道中的流动压力损失和重力损失。

而均温板厚度远小于其宽度,因此工质在厚度方向吸液芯结构层中的流动压力损失和重力损失可忽略。

本文结合国内外研究资料对均温板关键部件吸液芯的结构以及制备方法、均温板理论计算模型、均温板性能影响因素 (包括工作流体、充液率、热源分布及工作角度) 进行综述分析,并对其发展与应用进行展望。

2.吸液芯结构及性能

均温板依靠内部的吸液芯结构提供凝结液回流的动力,该结构影响了临界热流和热性能。与热管相比,均温板尺寸较小,要达到较小沟槽尺寸以及较高的填粉要求比较困难,对此学者们不断优化制备工艺。为使之有更好的换热特性,新型的微型吸液芯结构不断被开发出来,同时对吸液芯进行表面处理,显著加强了均温板的综合性能。

常见的吸液芯结构主要有 3 种:微槽道型、烧结粉末型、烧结丝网型。微槽道型是在均温板壁面加工出沟槽作为回流通道,减小流动阻力,但制备工艺复杂,成本较高;烧结丝网型是将丝网烧结在板的内壁,丝网的孔隙可以控制,具有结构简单、制造方便、成本低廉等优点,缺点是网层间及丝网与管壁之间有间隙而导致热阻较大,由于超薄均温板中的吸液芯是以丝网型为主的,该结构将放在第4节超薄均温板中一并介绍;烧结粉末型是将金属粉末直接烧结在板的内壁,能提供较大的毛细力,应用范围最广且技术也最成熟,但缺点是渗透性较差。

2.1 微槽吸液芯

沟槽吸液芯是在均温板内壁加工各种形状的沟槽制作而成的,利用槽道界面张力的作用使液相工作介质回流而实现吸液芯的功能。而微槽吸液芯的制备是一个技术难点,但近年来取得了较大进展。

何艳丽等利用扩散焊分层实体制造技术获得变形小、可一次焊接成形的深窄槽。槽道宽度为0.4mm,试验过程在加热功率为 40W、水平放置、加热过程伴随风冷的试验条件下,其最大有效热导率能达2552.2W/(m·K)。陈亮等利用飞秒激光加工法,获得了质量良好、槽宽50µm且深宽比达5.4的微槽。根据飞秒激光光束的光斑特性,通过调节峰值能量控制焦点附近的激光强度,对飞秒激光的加工区域进行精确控制,使其加工尺寸突破衍射极限成为可能,为微尺度器件的超精细加工提供了可行性。随着微槽吸液芯制备技术的发展,学者们制备出了各类形状的微槽,常见的微槽如图2所示。

图2   常见的微槽结构.jpg

图2 常见的微槽结构

为了解决微槽吸液芯毛细极限较小导致传热受限的问题,在常见微槽基础上又发展出了许多新型的结构。Hung等设计了星形槽道吸液芯,如图3所示,并比较星形槽道和三角形槽道的几何参数,如截面形状、角顶角尖锐度、角数、截面面积和总长度对热管性能的影响。

Bahmanabadi 等对新型径向矩形槽和径向倾斜三角形槽进行热阻研究,如图4所示,发现沟槽可以通过诱导旋转运动来增强换热。相同换热面积的径向矩形槽面和径向倾斜三角形槽面平均热阻比光滑表面分别提高 22.9% 和36.13%。

图3   星形槽道和三角形槽道.jpg

图3 星形槽道和三角形槽道

图4   径向矩形槽和径向倾斜三角形槽.jpg

图4 径向矩形槽和径向倾斜三角形槽

Li等将圆盘分成一系列相同的扇形区,在自然分支现象的启发下,开发了一种新的生长模型,如图5所示,随着毛细管压力增大,温度梯度更加均匀,然而此结构加工十分关键,作者所在团队通过化学蚀刻无法形成具有深窄特征的微通道,最终加工深度仅为 0.16~0.24mm,极大地限制了均温板的性能。最后选用泡沫铜作为吸液芯结构,利用激光雕刻和模具压印来形成分形结构。Liu 等研究了在不同分形角度下均温板的性能,当角度接近45°时,均温板的热阻较小。

图5   自然分支微槽结构.jpg

图5 自然分支微槽结构

2.2 烧结粉末

烧结金属粉末多孔材料具有质量轻、毛细力大、比表面积大、耐热耐腐蚀等优点,其孔隙率和孔径大小及分布主要受粉末粒度、形貌和制造工艺的影响。目前大量生产使用的粉末吸液芯原材料主要有铜、镍、铝、不锈钢等,可以根据不同工况对材料进行选择。

烧结粉末作为传统的吸液芯结构,在热管和均温板中都有广泛的应用。其制造工艺在不断优化,尤其是直接影响毛细吸液芯结构质量的填粉工艺。填粉设备逐渐向精确化、自动化方向改进,其中包括对振动参数的研究、粉体定量填充的研究以及振动填粉设备的研究。对于烧结工艺,控制烧结的时间和温度十分关键。王小鹰研究得到随着烧结温度的升高,孔隙率、平均孔径及渗透率都显著下降,收缩率增大。烧结时间小于30min时,随着烧结时间的延长,孔隙率、平均孔径及渗透率显著降低。继续延长烧结时间,孔隙率及渗透率下降趋势变缓,而毛细压力随着烧结时间的延长先增加后降低。

对于单孔隙烧结毛细芯,烧结粉末的颗粒直径、孔隙度、烧结层厚度等对均温板的热阻都具有较大的影响。黄豆研究了铜粉种类对吸液芯毛细性能的影响,发现在平均粒径相同时,不规则状铜粉吸液芯烧结后的孔隙率远大于球形铜粉吸液芯。而吸液芯的毛细性能与吸液芯的收缩率没有直接的关系,毛细性能主要受吸液芯的孔隙率、渗透率和毛细压力(有效毛细半径)的影响。

李红传等根据仿生学原理,以天鹅绒竹芋为设计依据,构建了锥形毛细芯均温板,两种锥形结构如图6所示。锥形毛细芯结构经氧化处理后,总热阻在不同加热功率下均有一定程度的降低,最小值可达0.079K/W。


图6   两种锥形结构.jpg图6 两种锥形结构

除了单孔隙吸液芯,目前已有多种不同粒径、不同材料混合的多孔径吸液芯被提出,特别是双孔径芯,其流动和传热性能优异,在均温板中得到了广泛应用。双孔芯中既有大孔也有小孔,小孔径提供大的毛细泵送力,大孔径减小工作流体在多孔芯内的流动阻力,增加蒸发面积,有利于蒸汽的排出。

铜粉和镍粉常作为双层梯度孔吸液芯的原材料,在镍层中添加一定量的造孔剂以增加吸液芯内工质流动通道,同时采用松装烧结无压成型法,依靠粉末自身相互搭架而形成孔洞,获得的制品孔隙率较高。造孔剂比例和粒径对其连接强度、线收缩率、孔隙率和毛细抽吸性能有很大影响。

Wang等将球状和枝状的不同金属粉末制成多孔芯,如图7所示,研究了两种粉末的混合比以及造孔剂的粒径和体积比对多孔芯的影响。两种金属粉末的混合比对临界热负荷和蒸发器壁温有显著影响,当球状镍粉和枝状铜粉的混合比达到 3∶7 时,造孔剂颗粒直径为 30~45µm,孔隙率为 40% 时能达到最高临界热负荷 530W。

图7   镍铜复合多孔吸液芯的SEM图.jpg

图7 镍铜复合多孔吸液芯的SEM图

莫冬传等从几何尺寸梯度和润湿性梯度两个方面出发将微米、纳米结构结合开发出多层梯度结构多孔表面来强化沸腾换热,且将单层的树林状梯度结构 (可以认为是形成了很多相互贯通的 Ω 形槽道) 应用于超薄均温板中,取得了优异的均温效果及传热性能。

表1对文中提及的槽道和烧结粉末吸液芯的优缺点进行了总结。

表1 吸液芯结构分类及其优缺点

表1  吸液芯结构分类及其优缺点.jpg

2.3 复合吸液芯

以上介绍的吸液芯结构特点各异。微槽的渗透性很好但毛细力却较小,烧结粉末毛细力很大而其渗透性却较差。复合吸液芯可以结合各类吸液芯的优点达到整体最优,如多层丝网复合、丝网与粉末复合、粉末与沟槽复合等。

Chen等提出了一种多层复合细网吸液芯,该复合细网吸液芯由粗网和细网不同的层组组合而成,可以提高吸液芯的吸湿性能,从而进一步提高均温板的热性能。通过毛细上升率实验,对其吸液能力进行了评价,结果表明,与多层单网格吸液芯结构相比,多层不同结构的丝网吸液芯性能显著提高。由3层100目和3层300目组成的吸液芯,其最佳体积流速达 14.44mm3/s,平衡吸液芯高度达55.98mm。

Niu 等以铜粉和铜丝网为主要原料制备了复合吸液芯,研究铜粉粒径、铜粉体积比、超亲水处理对毛细性能的影响。结果表明,铜粉体积比是影响毛细性能效果的最显著因素。此外,对于超亲水性处理后的吸液芯,较小的铜粉颗粒具有较高的渗透性和较好的综合性能。

Wiriyasart 等研究了微槽表面涂覆多孔烧结芯的均温板,并与无多孔烧结芯的均温板进行比较。结果表明,微槽内具有多孔烧结芯均温板的热工性能比不具有多孔烧结芯的均温板最高可提高20%。

本文标题:两相散热材料均温板的工作原理

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