热管工作状况示意图(热管技术及应用（三）)

Posted 2023-06-02

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热管工作状况示意图(热管技术及应用（三）)

八、微热管构造

微热管的工作原理与常规热管类似，主要的区别在于：常规热管内通常存在毛细吸液芯产生毛细力以驱动工质回流，而微热管则主要通过通道尖角区域产生的毛细力驱动工质回流。自从1984年Cotter提出微热管的概念以来，微热管构造从单微热管，发展到微热管簇，以及内部沟槽互通的微槽平板热管，使得微热管传热性能得到显著提高。

1. 单微热管

对于微热管的研究，最初主要集中在管径100~1000μm，管长在10~60mm的无吸液芯结构的带有尖角的单根热管，其通道横截面多为三角形、矩形或正方形，如图1所示。这三种微热管的管壁都是等厚度的直壁，通道在不同构造下存在大小不一的尖角区域，而微热管正是利用这些尖角为液体回流提供动力。但是，尖角毛细力略显不足，主要应用于传热量不大，但对均温性和稳定性要求高的场合。为了进一步提高微热管的毛细性能，一些不规则的単微热管构造形式也相继提出，如图2所示。这些异形截面形状有力增强了毛细驱动效能，进而提升了単微热管的传热能力。

图1 单微热管（直截面）

图2 单根微热管（异形截面）

2. 微热管簇

微热管簇作为高效均热片能够有效消除局部热点，保持硅片均温，广泛应用于微小型电子元器件散热。微热管簇是在固体基板上开出一簇独立、平行的微细槽道形成，如图3所示。微型热管簇相当于将多个单根微热管集成在一起，以此来提高微热管的导热效能。然而，这种强化传热是有限的，因为它们只提供沿单个阵列微槽的轴向传热。

图3 三角形通道微热管簇

3. 微槽平板热管

微槽平板热管与微热管簇的主要区别在于，微槽平板热管各蒸汽槽道互相连通（如图4所示），而微热管簇各通道则相互独立。由于微槽热管蒸汽腔相互连通能够实现热量二维传递，解决了微型热管簇只能一维热传递的问题，使得微热管的传热效能及均温性得到显著提高。

图4 微槽平板热管

九、环路热管构造

环路热管作为一种在航天器热控系统、航空及潜艇电子设备冷却中均有重要应用的被动式传热器件。它主要由蒸发器、储液室、汽线、液线和冷凝器等组成，如图1所示。与常规热管不同，环路热管内部并没有整体分布式毛细结构，而是仅依靠蒸发器中的毛细结构维持环路系统的运行，环路中携带有气液两相流体。环路热管刚提出时主要应用于空间环境条件下0.5~24 kW的高传热需求场合，而后发现其在地面环境热控也有应用潜力。经过多年发展，环路热管已发展出毛细泵驱回路热管和平板蒸发器型环路热管等类型。

1. 常规环路热管

在常规环路热管中，对蒸发器施加热载荷后，液态工质在蒸发器中充分浸湿后的毛细芯外表面蒸发，产生的蒸气从蒸气槽道流出进入蒸气管线，继而进入冷凝器冷凝成液体并过冷，回流液体经液体管线对蒸发器毛细芯进行补给，如此循环。这其中工质的循环由蒸发器毛细芯所产生的毛细压力驱动，无需外加动力。

图1 环路热管运行原理图

2. 毛细泵驱回路热管

与环路热管相似的还有如下图2所示的毛细泵驱回路，毛细泵驱回路首先由工作于NASA路易斯研究中心的stenger提出。尽管泵驱回路和环路热管的运行原理一致，补偿腔与蒸发器分离的结构差异还是造成了运行特性的不同。环路热管蒸发器的工作温度不像泵驱回路一样由储液罐设定温度决定，而是依靠蒸发器与液体补偿器之间复杂的能量与质量传递来维持平衡。相比于环路热管，泵驱回路的主要优势在于在较大的热负荷范围内，可以更好地调节器件的工作温度，实现精准控温的目的。

图2 毛细泵驱回路运行示意图

3.平板蒸发器型环路热管

随着电子设备小型化，出现了一种带有平板蒸发器的环路热管，具体结构如图3所示。相比于传统环路热管，相同大小的平板蒸发器型环路热管可以增大与发热器件接触面积，毛细芯受热更均匀，使其能够更好发挥环路热管的传热能力。平板蒸发器型蒸发器的温度梯度和工质流动的速度梯度夹角较小，从场协同理论的角度看，平板型环路热管比传统环路热管更有优势，这使其在高热流密度电子器件散热领域有着更大的潜力。

图3 平板蒸发器型环路热管

十、旋转热管构造

旋转热管的概念由Gray于1969年首次提出。从本质上讲，旋转热管是一种依靠离心力的分力使冷凝液回流到蒸发段的两相热虹吸管。该热管的典型特征在于热管自身为旋转件，可应用于电机转子、电动机及发电机转轴等旋转部件的冷却散热（如图0）。

图0 旋转热管应用于旋转部件冷却

旋转热管不需要毛细吸液芯，其内部流体工质循环动力主要来源于离心力和重力，具有比普通热管更强的传热效能。根据热管中流体流动方向与旋转方向或离心力的相对关系，旋转热管可分为轴向旋转热管(图1a)或径向旋转热管(图1b)。

（a）轴向旋转热管（b）径向旋转热管

图1 旋转热管

1. 轴向热旋转热管

在轴向旋转热管中，蒸发器和冷凝器在平行于旋转轴的方向上分开，因此离心力垂直于热管轴。液体流动由圆柱形热管中的离心力引起的薄膜中的流体静压梯度驱动。在中低速旋转热管中，离心力相对较小，冷凝器中积聚的厚液膜，弱化了冷凝器的传热性能。因此，有必要采取措施减小液膜厚度，以改善冷凝器部分的传热性能。根据不同的加固措施，轴向旋转热管分类为锥形旋转热管、阶梯旋转热管、曲线旋转热管和平行轴旋转热管。

(1)锥形旋转热管(图2a)在内表面上使用锥形，液体流由平行于液体流的离心力分量驱动，这增强了流体回流，减小了液膜厚度。

(2)阶梯旋转热管(图2b)使内腔做成阶梯形，缩短了必须由静水压力驱动的液体长度，从而减小了液膜厚度。

(3)曲线旋转热管(图2c)的几何形状是通过在同轴旋转冷凝器部分和离轴旋转蒸发器部分之间合并S形曲线来实现的。

(4)平行轴旋转热管(图2d)的中心轴偏离旋转轴有一定距离，在相同转速下产生更大的离心力，以增强流体回流。

图2 轴向旋转热管

（a）锥形（b）阶梯（c）曲线（d）平行轴

2. 径向旋转热管

在径向旋转热管中，蒸发器和冷凝器在径向方向上是分开的，因此离心力平行于液体流，垂直于旋转轴，将液体冷凝物从冷凝器驱动到蒸发器。为了适应不同的应用条件，主要有旋转闭环脉动热管(RCLPHP)(图3a)和旋转热管砂轮(RHPGW)(图3b)。

（a）旋转闭环脉动热管（b）旋转热管砂轮

图3 轴向热管

闭环脉动热管是一种弯曲成蜿蜒形状的长毛细管，管端在环形回路中相互连接，内部填充有工作流体。由于表面张力效应，工作流体以液体段塞和蒸汽塞的形式通过闭环脉动热管的通道分布。热量通过流体振荡从蒸发器区域传递到冷凝器区域。当流体在蒸发器中受热时，蒸发器中气泡的蒸汽压力增加，这导致一个力将液体段塞向冷凝器移动。当气泡到达冷凝器时，液体流回蒸发器。旋转闭环脉动热管利用离心力是增强内部流动传热，将工作流体从冷凝器部分返回或驱动到蒸发器部分，并提高总热导率。

热管砂轮的工作原理是在不锈钢砂轮基体中加工出一个环形槽，将环形槽制作成热管，蒸发段与冷凝段沿砂轮径向分布，蒸发段靠近砂轮的磨削区域，冷凝段则远离弧区，砂轮旋转时，热管内的液态工质在离心力的作用下均匀分布在热管蒸发段内壁面，形成一层薄薄的液膜。砂轮进行磨削时，弧区的热量通过基体导热传递至热管蒸发段，液膜会热迅速汽化，携带着潜热在流向冷凝段，到达冷凝段后快速凝结为液态并向外界释放出热量。凝结后的液体工质在离心力的作用下沿壁面回流至蒸发段重新参与换热。

十一、均热板构造

早期手机散热普遍以石墨作为主要材料，可称为第一代散热。铜管液冷为第二代散热技术，而均热板（VC）则是第三代散热技术。均热板液冷可以看作是铜管液冷的升维技术。虽然两者均是基于气液相变原理，不同的是热管只有单一方向的轴向高效导热，而均热板相当于从“线到面”的升维，可以更好地将热量从四面八方带走。图1为红魔6/6Pro7层多维散热系统ICE6.0热管理图。

图1 红魔多维散热系统ICE6.0热管理图

图2 均热板工作原理示意图

均热板的工作原理与传统热管相似，如图2所示。当热量由热源传导至蒸发区时，均热板内的工质受热后蒸发成气态，然后迅速充满整个腔体。当蒸汽到达冷凝面时，放出热量并凝结成液体，凝结后的液体会借助吸液芯回到蒸发热源处，再次吸热蒸发成蒸汽，以此往复循环。均热板不断地将热量从局部热源处扩散传递到另一表面。吸液芯在均热板运行中起到至关重要的作用。根据吸液芯的构造，可以将均热板分为单一结构吸液芯均热板和复合结构吸液芯均热板。

1.单一结构吸液芯均热板

单一结构吸液芯一般是以烧结金属粉末/泡沫铜、沟槽和丝网作为均热板的吸液芯，为工质回流提供驱动力。

图3 单一结构吸液芯均热板

图3（a）所示的均热板吸液芯是以铜粉烧结而成，这种烧结成的多孔介质具有较大的毛细力，但其渗透率低。研究人员通过改进烧结工艺和采用不同的多孔介质等方法，来改善烧结芯均热板的渗透率。

图3（b）所示的均热板吸液芯是在平板上加工微通道构成，这种吸液芯具有较大的渗透率，但毛细力较低。因此，研究人员采用叶脉分形槽（图3（d））和辐射状槽道（图3（e））等方法，来提高沟槽芯均热板的毛细性能。

图3（c）所示的均热板吸液芯由丝网构成，这种吸液芯的热阻较大，主要是由丝网芯和均热板壁面接触不紧密造成，故采用加装支撑柱或将丝网烧结在壁面上等方法，来解决这个问题。

2.复合结构吸液芯均热板

复合吸液芯是由两种或两种以上的单一结构吸液芯组成，这种吸液芯通过兼容多种吸液芯的优势，来提高均热板的传热特性。复合结构吸液芯一般有沟槽+丝网型、丝网+烧结型以及烧结+沟槽型等组合方式，如图4所示。

图4 复合结构吸液芯均热板

图4（a）所示的沟槽+丝网型复合芯，通过在沟槽上部添加丝网的方式，弥补了沟槽芯均热板毛细力低的缺陷。

图4（b）所示的丝网+烧结型复合芯，通过将丝网与烧结多孔介质耦合并联的方式，提高了均热板的传热性能。

图4（c、d）所示的烧结+沟槽型复合芯，通过在烧结芯表面加工微槽道，为均热板内蒸汽提供流动通道，弥补了烧结芯渗透低的缺陷。

十二、复合芯超薄热管构造

伴随便携式电子设备向超薄化方向发展，电子器件内部受限空间高效散热面临重要挑战。目前可行的解决方案为超薄热管技术。超薄热管通常特指厚度小于2mm的平板热管(图1)。由于其较薄的厚度和较高的当量导热系数，并可紧密贴合电子元件表面，能高效带走发热面热量，有利于提高电子器件均温性。

图1 超薄热管实物图

值得注意的是，在超薄热管的实际运行过程中，内部足够大的毛细力和较高的液体渗透性是保证其良好热性能的重要前提。然而烧结芯结构虽然能够产生较大的毛细驱动力，但液相工质较低的渗透率，成为制约热性能的不利因素。因此，包含一种或多种芯结构的烧结芯复合槽道被提出能够很好解决上述毛细力和液相渗透率之间的矛盾。超薄热管复合芯结构主要有带凹槽的多孔结构和带有烧结粉末/网/纤维的组合凹槽两种，如图2中所示。

(a) 沟槽多孔结构

(b)烧结网组合凹槽

(c)烧结粉末组合凹槽

图2 热管芯结构

1 凹槽多孔复合吸液芯

对于凹槽多孔复合吸液芯，最直接的做法就是借助线切割工艺在比如图3(a)中的铜粉烧结吸液芯结构和图3(b)中交错超亲水铜网被烧结在一起所形成的吸液芯结构表面加工出多个通道作为蒸汽流道。已有文献验证，凹槽多孔结构吸液芯超薄热管的有效导热系数约为同等条件下纯铜的四倍多，相比原本的单一槽道或者吸液芯结构热输运能力得到了显著改善。

(a)条状烧结芯通道

(b) 烧结铜网筛扫描电镜图像

图3 凹槽多孔芯结构

2烧结凹槽复合吸液芯

对于烧结粉末/网/纤维凹槽的复合吸液芯，典型做法是将铜纤维和沿热管内壁的轴向凹槽进行复合得到毛细纤维沟槽结构。与传统吸液芯结构相比，这种新型结构可以提供更佳的毛细管头和渗透性，以获得更好的传热能力和更小的温度梯度。在超薄平板热管中，通常有三种复合吸液芯结构（图4），包括单拱形烧结槽吸液芯、双拱形烧结槽吸液芯和网状槽吸液芯，这些毛细芯结构在面对不同倾角和加速度环境时存在显著的技术优势。

(a)单拱形烧结槽吸液芯;

(b)双拱形烧结槽吸液芯;

(c)网状槽吸液芯

图4 槽道复合芯结构

需指出的是，复杂的制造工艺、较低的生产效率和较高的制造成本限制了具有复合吸液芯在超薄电子器件热管理中的广泛应用。因此，复合芯超薄热管技术仍有诸多问题有待进一步探索。