（工程热物理专业论文）led微槽群平板热管散热器研究.pdf

大连理工大学硕士学位论文 摘要 近年来，随着l e d 器件的密集化和小型化，单位容积器件的发热量迅速增大，对 装置的可靠性造成了极大威胁。研究表明，当温度超过一定值时，l e d 器件的失效率将 呈指数规律攀升。因此，如何提高散热能力是大功率l e d 实现产业化亟待解决的关键 技术之一。目前，国内外正在研究的平板热管( 简称热板) 除了拥有普通热管的良好特 性之外，其独特的优越性还体现在t 对离散的局部热源热区的温度控制能力强；外表面 平整光滑，可以与半导体器件热端直接接触：可以产生一个整体的等温面，有效的扩大 了散热面积，提高了散热效率。因此，平板热管已成为目前国内外半导体器件散热的主 要方法之一。本文以l e d 散热用微槽群平板热管为研究对象，主要研究内容如下： 一、对l e d 的散热方式进行了综述，着重阐述了平板热管散热技术在国内外的研 究进展。介绍了平板热管的工作原理，并对微槽平板热管的结构、散热特点、传热极限 以及热阻进行了分析。采用了具有微槽群结构以及良好的强度和刚性、散热效率高、制 造工艺简单等特点的l e d 平板热管散热器。 二、建立了一个关于矩形微槽内液体润湿特性的理论模型，并编制相应的程序，针 对文献中的两种工质对程序的可行性和可靠性做出校验。然后对本文选择的工作液体丙 酮的润湿高度进行计算，考虑了影响毛细力的各种因素，从理论上定量地确定了微槽的 几何尺寸以及倾角对微槽内液体润湿高度的影响。 三、设计了一款水平放置的微槽群平板热管散热器，利用c f d 流体软件对其外部 流场及温度场进行数值模拟，通过与常规材料散热器的数值模拟结果进行比较，证实了 微槽群平板热管散热器在散热方面的优越性能。计算了不同热源布置方式、不同翅片结 构及不同底板面积对微槽群平板热管散热器散热性能的影响，确定了最佳的结构尺寸。 四、针对第四章中散热器设计的局限性，设计了一款竖直放置的微槽群平板热管散 热器。在确定了散热器外部结构的基础上对翅片进行结构调整，分别选择不同的翅片间 距和不同的翅片高度进行计算，并分析了发射率对散热的影响，确定了最佳的整体模型。 最后通过热阻的计算以及模拟结果与实验结果的对比确定了该散热器的最大散热量。 关键词：l e d 散热；平板热管；毛细微槽；相变换热；数值模拟 l e d 微槽群平板热管散热器研究 i n v e s t i g a t i o no nl e d f l a th e a tp i p e a b s t r a c t i nr e c e n ty e a r s b e c a u s eo ft h ec o m p a c t n e s sa n dt h em i n i a t u r i z a t i o no fl e d s ，t h eh e a t f l u xo fp e ru n i ti n c r e a s e sr a p i d l yw h i c hb r i n g sg r e a tt h r e a t e nt ot h er e l i a b i l i t ) ，o fl e d s i t i n d i c a t e st h a t 血ei n v a l i dr a t er i s e sw i 也t h er u l eo fi n d e xw h e nt h et e m p e r a t u r ee x c e e d sa c e r t a i nv a l u e t h e r e f o r e 。i ti so n eo ft h ek e yt e c h n i c a lp r o b l e m st oi m p m v et h eh e a ts i n k i n g c a p a b i l i t yf o r 廿1 ei n d u s t r i a l i z a t i o no fh i g hp o w e rl e d s c u r r e n t l y ，t h ef l a th e a tp i p ef o c u s e d a th o m ea n da b r o a d , h a sm a n yu n i q u ea d v a n t a g e sc o m p a r e dt ot h ec o n v e n t i o n a lt u b u l a rh e a t p i p e i tt a k e ss t r o n gc o n t r o lo nt e m p e r a t u r eo fd i s c r e t ea n dp a r t i a lh e a ts o u r c e a n di t c a l l c o n t a c tt i g h t l yw i t hs e m i c o n d u c t o ra p p a r a t u sb e c a u s eo fi t sr e g u l a ra n ds l i p p e r ys u r f a c e m o r e o v e r , i tc a ng e n e r a t eau n i t a r ya n di s o 也e r m a ls u r f a c ew h i c he f f e c t i v e l ye x t e n d st h eh e a t d i s s i p a t i o na r e aa n di m p r o v e st h ed i s s i p a t i o ne f f i c i e n c y d u et oa 1 1t h o s es u p e r i o rt h e r m a l c h a r a c t e r i s t i c s t h ef l a th e a tp i p eh a sb e c o m e 血em a i n s t r e a mh e a td i s s i p a f i o nm e a s u r e o f s e m i c o n d u c t o ra l lo v e rt h ew o r l d i nt h i sp a p e r , f l a th e a tp i p eu s e di nl e d si sf u r t h e r s t u d i e da n dt h em a i nc o n t e n ti s 弱f o l l o w s ： f i r s t l y , t h et e c h n o l o g y 内fl e dc o o l i n ga n dt h ed e v e l o p m e n to f h e a ts i n ku s i n gf l a th e a t p i p ea r es u m m a r i z e di nt h i sp a p e r a n dt h eo p e r a t i n gp r i n c i p l eo f f l a th e a tp i p ei si n t r o d u c e d b r i e f l y t h ec h a r a c t e r i s t i c so fm i c r o g r o o v e df l a th e a tp i p es u c ha si t ss t r u c t u r e ，h e a tt r a n s f e r c h a r a c t e r i s t i e s ，h e a tt r a n s f e rl i m i ta n dt h e r m a lr e s i s t a n c e sa r ea l s oi n c l u d e d t h e nan e wt y p e o fm i c r o g r o o v e df l a th e a tp i p er a d i a t o rf o rc o o l i n gl e di sa d o p t e dw h i c hh a sm a n y a d v a n t a g e ss u c h 硒m i c r o g r o o v e ds t r u c t u r e ，f a v o r a b l ei n t e n s i t ya n dr i g i d i t y , h i 曲h e a t d i s s i p a t ee f f i c i e n c ya n ds i m p l em a n u f a c t u r et e c h n i q u ea n d s oo n s e c o n d l y , at h e o r e t i c a lm o d e lf o rl i q u i dw e t t i n gc h a r a c t e r i s t i c si nt h er e c t a n g u l a ra n d m i c r o g r o o v e si sf o u n di nt h ep a p e r s o m ep r o g r a m sa r ew r i t t e na n dt h e i rf e a s i b i l i t ya n d r e l i a b i l i t ya r ec h e c k e du s i n gt w o k i n d so fw o r k i n gf l u i di nl i t e r a t u r e s t h e nt h ew e t t i n gl e n g t h o fa c e t o n ei sc a l c u l a t e d s o m ef a c t o r sw h i c hi n f l u e n c et h ec a p i l l a r yl i m i ta r ea l s oc o n s i d e r e d t h ee f f e c t st h a tt h eg e o m e t r i cp a r a m e t e r sa n di n c l i n a t i o na n g l eo fm i c r o g r o o v e so nw e t t i n g l e n g t ho ff l u i di ng r o o v e sa r ec o n f i r m e dq u a n t i f i c a t i o n a li nt h e o r y t h i r d l y ，ah o r i z o n t a lm i c r o g r o o v e df l a th e a tp i p ei sd e s i g n e da n dt h em e t h o do fc f d n u m e r i c a ls i m u l a t i o ni se m p l o y e dt os i m u l a t et h ee x t e r i o rf l u i df i e l da n dt e m p e r a t u r ef i e l do f t h en e w t y p eo ff l a th e a tp i p e n l ep r e d o m i n a n tp e r f o r m a n c eo fm i c r o g r o o v e df l a th e a tp i p ei s a p p m v e da f t e rt h es i m u l a t i o no fs a m es t r u c t u r er a d i a t o r sm a d e i na l u m i n u m 1 1 1 ei n f l u e n c eo n 大连理工大学硕士学位论文 t h ep e r f o r m a n c eo fm i c r o g r o o v e df i a th e a tp i p ei nd i f f e r e n th e a tf l u xd i s t r i b u t i o no ns o l e p l a t e ， d i f f e r e n ts t r u c t u r eo ff i n sa n dd i f f e r e n ts o l e p l a t ea r e aa let e s t e di nt h i sp a p e r a no p t i m u m s 缸1 】c n l r ei sc o n f i r m e df i n a l l y f o u r t h l y ，a c c o r d i n gt ot h er a d i a t o rl i m i t a t i o na b o v ei nt h ef o u r t hc h a p t e r ，av e r t i c a l m i c r o g r o o v e df i a th e a tp i p ei sd e s i g n e da f t e rt h es i m u l a t i o na b o v ei nt h ep a p e r a n dt h e s t r u c t u r eo ff i n si sa d j u s t e db a s i n go nt h ec o n f i r m a t i o no fe x t e r i o rs t r u c t u r eo fr a d i a t o r t h e n t h eo p t i m a lm o d e li sp u tf o r w a r dv i ac h o o s i n gd i f f e r e n td i s t a n c ea n dl e n g t ho ff i n sa n dt h e e m i s s i v i t y f i n a l l y , i th a sf i x e do n12 0 w 髂t h em a x i m a lc o o l i n gp o w e rt h r o u g ht h e c a l c u l a t i o no ft h e r m a lr e s i s t a n c ea n dc o m p a r i n gt h er e s u l to fn u m e r i c a ls i m u l a t i o na n d e x p e r i m e n t k e yw o r d s ：l e dc o o l i n g ；f l a th e a tp i p e ；c a p i l l a r ym i c r o g r o o v e ：p h a s e c h a n g eh e a t t r a n s f e r ：n u m e r i c a ls i m u l a t i o n 大连理工大学学位论文独创性声明 作者郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下进行研究 工作所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明引用内容和致谢的地方外， 本论文不包含其他个人或集体已经发表的研究成果，也不包含其他已申请 学位或其他用途使用过的成果。与我一同工作的同志对本研究所做的贡献 均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 学位论文题目：堡堕鉴塑塑墨箩譬遵亟蝴一 作者签名：邀 大连理工大学硕士研究生学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本人完全了解学校有关学位论文知识产权的规定，在校攻读学位期间 论文工作的知识产权属于大连理工大学，允许论文被查阅和借阅。学校有 权保留论文并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，可以将 本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、 缩印、或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 学位论文题目： 作者签名： 导师签名： l 功槲聊浓落晌j 日期： 塑! 年l 月j 一日 e l 期： 塑里年l 月- 日 大连理工大学硕士学位论文 1绪论 1 。1 课题的研究背景及意义 近年来，由于全球性的能源短缺和环境污染问题日益突出，节能环保的半导体照明 ( 简称l e d ) 技术迅速发展。随着半导体器件向高亮度、高功率发展，导致其发热量逐渐 增加。 l e d 是一种注入电致发光器件，由族化合物如磷化镓、磷砷化镓等半导体制 成。其发光机理是靠电子在能带间跃迁产生光，其光谱中不含红外成分，因此，产生的 热量不能靠辐射发出，故l e d 是冷光源。当它在外加电场作用下，电子与空穴的辐射 复合发生电致作用将一部分能量转化为光能，而无辐射复合产生的晶格振荡将其余的能 量转化为热能。为了保证器件的寿命，一般要求p n 结结温在1 1 0 以下。随着p n 结的 温升，自光l e d 器件的发光波长将发生红移。统计资料表明，在1 0 0 的温度下，波长 可以红移4 - 9 r a m ，从而导致y a g 荧光粉吸收率下降，总的发光强度会减少，白光色度 变差。在室温附近，温度每升高1 ，l e d 的发光强度会相应地减少1 左右。目前l e d 的发光效率仅能达到1 0 2 0 ，其余8 0 9 0 的能量转化为热能。如果l e d 芯片的热 量不能散出去，会加速芯片的老化，还可能导致焊锡的融化，使芯片失效。对于单个 l e d 而言，如果热量集中在很小的芯片内而不能有效散出，则会导致芯片温度升高，引 起热应力的非均匀分布、芯片发光效率和荧光粉转换效率下降。研究表明，当温度超过 一定值时，器件的失效率将呈指数规律上升，元件温度每上升2 c ，可靠性下降10 。 随着l e d 功率的提高，热流密度相应增加，大功率l e d 的发热量比小功率l e d 高数 十倍，因此热量的耗散问题将更加严重。因此如何提高散热能力是大功率l e d 实现产 业化亟待解决的关键技术难题之一。 1 2l e o 散热研究的现状 解决功率型l e d 散热问题的方法主要有两种：一是改进l e d 的内部封装结构及封 装材料；二是改进外接热沉。 1 2 1封装散热 针对高功率l e d 的封装散热难题，国内外的器件设计者和制造者分别在结构、材 料以及工艺等方面对器件的热系统进行了优化设计。例如，在封装结构上，采用大面积 芯片倒装结构、金属线路板结构、导热槽结构、微流阵列结构等；在材料的选取方面， 选择合适的基板材料和粘贴材料，用硅树脂代替环氧树脂。 l e d 微槽群平板热管散热器研究 ( 1 ) 封装结构 硅基倒装芯片( f c l e d ) 结构 传统的l e d 采用正装结构，上面通常涂敷一层环氧树脂，下面采用蓝宝石作为衬 底。由于环氧树脂的导热能力很差，蓝宝石又是热的不良导体，热量只能靠芯片下面的 引脚散出，因此前后两方面都造成散热困难，影响了器件的性能和可靠性。 1 ) 正袭的芯片倒装的芯片 图1 1 芯片的正装结构和倒装结构的对比 f i g 1 1c o m p a r i s o nb e t w e e nn o r m a lc h i p sa n df l i p - c h i pc o n f i g u r a t i o n 2 0 0 1 年，l u m i l e d s 公司研制出了a l g a i n n 功率型倒装芯片结构。图1 1 显示出芯 片的正装结构和倒装结构对比。l e d 芯片通过凸点倒装连接到硅基上。这样，大功率 l e d 产生的热量不必经由芯片的蓝宝石衬底，而是直接传到热导率更高的硅或陶瓷衬 底，再传到金属底座，由于其有源发热区更接近于散热体，因此可降低内部热沉热酣1 1 。 这种结构的热阻理论计算最低可达到1 3 4 k w ，实际已作到6 - 8 k w ，出光率也提高了 6 0 左右。但是，热阻与热沉的厚度是成正比的，因此受硅片机械强度与导热性能所限， 很难通过减薄硅片来进一步降低内部热沉的热阻，这就制约了其传热性能的进一步提 高。 金属线路板结构 金属线路板结构利用铝等金属具有极佳的热传导性质，将芯片封装到覆有几毫米厚 的铜电极的p c b 板上，或者将芯片封装在金属夹芯p c b 板上，然后再封装到散热片上， 以解决l e d 因功率增大所带来的散热问题。采用该结构能获得良好的散热特性，并大 大提高了l e d 的输入功率【2 】。美国u o e 公司的n o r l u x 系列l e d ，将已封装的产品组 装在带有铝夹层的金属芯p c b 板上，其中p c b 板用做对l e d 器件进行电极连接布线， 铝芯夹层作为热沉散热。图1 2 显示了金属线路板结构。其缺陷在于，夹层中的p c b 板 是热的不良导体，它会阻碍热量的传导。据研究，将o s r a m 公司的g o l d e nd r a g o n 系 大连理工大学硕士学位论文 列自光l e d 芯片l w w 5 s g 倒装在一块3 r a m 3 r a m ，且水平放置的金属线路板上，在 l e d 器件与金属线路板之间涂敷1 8 9 8 i n s i l 8 热接口材料，其系统热阻约为6 6 1 2 k w 3 1 。 一答辟 c 2 ：口釉奠占材料 衄导热段 图1 2 金属线路板结构 f i g 1 2m e t a lc o r ep r i n t e dc i r c u i tb o a r d 微泵浦结构 2 0 0 6 年，s h e n gl i u 等人通过在散热器上安装一个微泵浦系统，解决了l e d 的散热 问题，并发现其散热性能优于散热管和散热片。在封闭系统中，水在微泵浦的作用下进 入了l e d 的底板小槽吸热，然后又回到小的水容器中，再通过风扇吸热。图1 3 显示出 这种微泵浦结构。它能将外部热阻降为o 1 9 2 k w ，并能进行封装【4 1 。这种微泵结构的制 冷性较好，但如前两种结构一样，若内部接口的热阻很大，则其热传导就会大打折扣， 而且结构也嫌复杂。 l 磁) 苍 繁缀 图1 3 微泵浦结构 f i g 1 3 m i n i a t u r ep u m ps t r u c t u r e ( 2 ) 封装材料 确定封装结构后，可通过选取不同的材料进一步降低系统热阻，提高系统导热性能。 目前，国内外常针对基板材料、粘贴材料和封装材料进行择优。 l e d 微槽群平板热管散热器研究 基板材料 对于大功率的l e d 而言，为了解决芯片材料与散热材料因热膨胀失配造成电极引 线断裂的问题，可选用陶瓷、c u m o 板和c u w 板等合金作为散热材料，但这些合金的 生产成本过高，不利于大规模、低成本生产。选用导热性能好的铝板、铜板作为散热基 板材料是当前的研究重点之一【5 1 。 粘帖材料 选用合适的芯片衬底粘贴材料，并在批量生产工艺中保证粘贴厚度尽量小，这对保 证器件的热导特性是十分重要的。通常选用导热胶、导电型银浆和锡浆这3 种材料进行 粘贴。导热胶虽有较低的硬化温度( 1 5 0 ) ，但导热特性较差；导电型银浆粘贴的 硬化温度一般低于2 0 0 ，既有良好的热导特性，又有较好的粘贴强度，但因银浆在提 升亮度的同时会发热，且含铅等有毒金属，因此并不是粘贴材料的最佳选择。与前两者 相比，导电型锡浆的热导特性是3 种材料中最优的，导电性能也非常优越 3 1 。 环氧树脂 环氧树脂作为l e d 器件的封装材料，具有优良的电绝缘性能、密着性和介电性能， 但环氧树脂具有吸湿性，易老化，耐热性差，高温和短波光照下易变色，而且在固化前 有一定的毒性，故对l e d 器件的寿命造成影响。目前许多l e d 封装业者改用硅树脂和 陶瓷代替环氧树脂作为封装材料，以提高l e d 的寿命。 总的来说，具有低热阻、良好散热能力以及低机械应力的新式封装结构及封装材料 是封装散热的技术关键。 1 2 2 外接热沉散热 为了将l e d 器件产生的热量有效散发到环境中，采用合适的热沉散热是很有必要 的。其主要方式包括风冷散热、水冷散热、热电散热以及热管技术。 ( 1 ) 风冷散热 散热的基本途径主要有导热、对流、辐射三种。风冷散热方式就是在l e d 散热器 上安装风扇，如图1 4 所示，通过空气强迫对流将热量带走。因此，要在允许的温度条 件下将l e d 耗散的热量传递到热沉( 通常是大气环境) ，对流散热的效果好坏是决定 散热系统成败的关键。由于对流散热量的大小取决于散热面积、对流散热系数和传热温 差，因此提高散热能力主要围绕这三个方面进行。风冷散热就是通过提高风速，改善气 流组织，来增大对流换热系数的方法来强化传热。但是如果提高风扇的功率和转速就会 使得风扇体积和噪音增大，而且维修起来不方便，容易受到灰尘等杂物的干扰，且散热 一4 一 大连理下大学硕士学位论文 效果不是很明显。此外，采用l e d 风扇的散热器和采用增加风扇风量的做法也是有隐 患的，当风扇发生故障时，可能导致自些发热量大的l e d 短时内被高温烧毁。 图l4 风冷散热器和风扇 f i g1 4s c h 啪a t i cd i a g r a mo f c o o f i n g h e a ts i n ka n d f a n r 2 1 水冷散热 众所周知，水冷需要有液体的循环往复，根据循环液体是否与水冷系统外环境连通 可以分为开放式水冷与封闭式水冷。开放式水冷和外界相连通，对冷却液体的多少没有 什么限制，并且可以随时更换冷却液体，但使用不太方便；封闭式水冷的冷却液是固定 不变的，随着冷却液和l e d 进行热交换，冷却液的温度会逐渐升高，因此，必须通过 其他方式如熟沉风扇把冷却液的热量导走。 m i c r o j e t 水冷是目前一种新颖的散热方法，其原理如图1 5 所示。该系统由水泵、 热沉风扇、导水管等部件组成，水泵负责驱动水循环，芯片上的热量传给水，导水管把 高温水传送到小水箱，热沉、缸喃与小水箱换热。此系统中，m i c r o j e t 制冷器与l e d 进 行热交换，散热主要由热沉和风扇完成。 幽15b l i c r o j e t 制砖系统示意圈 f i g 15 s c h e m a t i cd i a g r a mo f m i c r o j e t c o o l i n gs y s t e m l e d 微槽群平扳热管散热器研究 水冷散热器具有很好的散热效果，均衡了l e d 的热量，并且工作噪音低。它的最 大优势是导热速度快，热容量大，日系统是一个循环散热系统。但使用水冷散热系统不 方便，体积大，安装麻烦，而且要防止犏水和结露现象，成本也非常高。 ( 3 ) 热电制冷 t ) 自h 凹16 热电制冷示意图 f i gl6s c h e m a t i cd i a g r a mo f t h e r m o e l e e t r i e i t yr e f r i g e r a t i o n 热电制冷又称作温差电制冷，或半导体制冷，它是利用热电效应( 即帕尔帖效应) 的一种制冷方法。热电制冷如图16 所示，把一只p 型半导体元件和一只n 型半导体元 件连接成热电偶，接上直流电源后，在结合处就会产生温差和热量的转移。在上面的一 个结合处，电流方向是n _ p ，温度下降并且吸热这就是冷端。而在下面的一个结合 处，电流方向是p _ n ，温度上升并且放热，因此是热端。 热电制冷的主要优点是：体积小、重量轻、无机械运动、制冷迅速、无污染、无噪 声。但是散热效率低，焊接强度低，凼此热电制冷器还存在一定的不安全因素。 ( 4 ) 热管散热 a z 茵17 热管1 柞原理瞄 f i g1 7o p e r a t i o np r i n c i p l eo f h e a tp i p e 蕊黼 大连理工大学硕士学位论文 热管是依靠自身内部工作液体相变来实现传热的传热元件，具有极高的传热效率， 内热阻极小，当量导热系数极高，且具有很好的等温性，因此散热效果好，噪音低，使 用寿命长。它的工作原理如图1 7 所示：当热管两端存在温差时，蒸发端的液体就会迅 速气化，将热量带向冷凝端，速度非常快。两端温差越大，蒸发速度越大。在极端的情 况下，蒸发速度可以接近音速。液体在冷凝端凝结液化以后，通过毛细作用，流回蒸发 端。如此循环往复，不断地将热量带向温度低的一端。 由于热管里液体蒸汽之间的相变反应，使它的热传导效率比普通的纯铜高数十倍， 甚至上百倍。应用这种方式可以用极快的速度将热量从热管的底部传导到热管的项部， 可以使热量不会在发热部位堆积，而是均匀地散发到了散热器的各个散热翅片上，极大 的提高了散热片的导热性能。目前，随着l e d 功率的不断提高，其发热量也随之迅速 增大，将热管技术应用于l e d 的散热必将成为未来散热器产品的主流。 1 3 热管散热技术的研究与发展 1 3 1常规圆热管散热技术 热管散热技术是1 9 6 3 年美国l o sa l a m o s 国家实验室的g m g r o v e d 6 发明的。1 9 8 4 年，c o t t d 7 】较完整地提出了微型热管的理论及展望，为微型热管的研究与应用奠定了理 论基础。它不仅引起了人们的广泛注意和兴趣，还促进了热管技术在该领域的深入研究 和应用。1 9 9 2 年，m a l l i k 等人把微型热管作为一个完整部分用于半导体和其他领域的散 热并证明了微型川、型热管是最有效的冷却电子设备的方法。 此后的几年里，各国的科研机构更加致力于热管的应用研究方面。日本出现了带翅 片热管束的空气加热器，在能源日趋紧张的情况下，可用来回收工业排气中的热能。同 时t u r n e r 和b i e n e r t 提出了可变导热管来实现恒温控制。g r a y 研究了一种新型热管一旋转 热管，这些发明都是热管技术的重大发展。n e o p a c 公司巧妙地将热管技术应用于功率 l e d 模组的散热上，他们在热管上加上一系列环绕热管的圆形散热翼片，以增强热量向 环境的转移，将芯片安装在热管热端的顶部，这种热管比通常用作功率l e d 热沉铜的 导热性高1 0 0 倍。2 0 0 5 年9 月，n e o p a c 公司又推出一种称为荷花灯的l e d 灯具。它由 9 个采用热管技术的8 w l e d 点光源按圆环形排列组成。在t a 一2 5 时，结温仅有6 0 ， 仅上升3 5 。当控制结温7 5 时，封装灯具热阻仅是4 3 8 侧，输入功率7 2 w ，总光 通量达到1 8 0 0 1 m ，照明效果相当于2 0 0 w 的白炽灯。 随着科学技术水平的不断提高，热管研究和应用的领域也将不断拓宽。新能源的开 发，电子装置芯片冷却、笔记本电脑c p u 冷却以及大功率晶体管、半导体、可控硅元 l e d 微槽群平板热管散热器研究 件、电路控制板等的冷却，化工、动力、冶金、玻璃、轻工、陶瓷等领域的高效传热传 质设备的开发，都将促进热管技术的进一步发展。 1 3 2 平板热管散热技术 用于电子器件冷却的热管往往要求是平板形状，这种形式的热管又称为平板热管， 简称热板。平板热管除了拥有普通热管的良好特性之外，其独特的优越性还体现在：对 离散的局部热源热区的温度控制能力强；外表面平整光滑，可以与电子器件热端直接接 触；可以产生一个整体的等温面，有效的扩大了散热面积，提高了散热效率。正是这些 优点，使得平板热管在冷却各种器件中得到了很好的应用。因此，平板热管散热技术己 成为各种器件散热方面的热点研究。 ( 1 ) 平板热管结构的发展 平板热管按照截面形状的不同可分为矩形和圆形两种。1 9 6 9 年，t d s h e p p a r d t 8 】提 出用矩形断面的热管冷却集成电路的底板，虽然这是对常规热管的一个改进，却为平板 热管的设计提供了一个崭新的思路。1 9 8 1 年，m a z e z a w a 等【9 】对一种无芯、旋转碟型热 管的传热特性进行了研究，在他们的研究中，是将碟型平板热管作为一种特殊形式的有 着对称热源与热沉的旋转热管来研究的。 在几何尺寸上，从1 9 9 5 年，h a k a c h i e l o 对a c t r o n i c sc o l t d 开发的尺寸为3 0 0 m mx 3 1 4 m mx 6 m m 的热板在不同工况下的研究，到c y l i u 与k c l e o n g 1 1 】的4 m mx 1 4 1 m m x8 m m 的铜水热板，乃至于到现今吉林大学的岂兴吲1 2 】制作的8 0m l nx6 5 m mx4 m m 的板状热管，平板热管越来越趋于小型化。并且由于最近已经发展出来许多的微细精密 制造技术，如光蚀刻微影、x 光深刻制造、微放电加工、钻石刀加工和离子束加工等方 法，使得我们可以制造出微米，甚至次微米的零件和结构，制造出任凭人类想象的各种 微型结构，使微通道液体单相强制对流冷却技术的广泛应用成为可能。 在芯体结构上，主要有三种发展趋势：烧结金属粉末芯：能提供大的毛细力，但 在液体流道会出现大的压降，其渗透率较差，其轴向的传热能力仍较轴向槽道管芯及干 道式管芯的传热能力小。丝网屏芯：流动热阻可以通过帮扎力度来控制，比较灵活。 主要缺点是温度降很大。毛细微槽：即在固体基板上开出一簇微细槽道，并且进一 步设计出蒸汽槽道互相连通的结构，大大提高了热管的传热能力，有效地降低了热管内 反向流动所产生的界面摩擦力，使得热管性能显著提高。这种微小型多槽平板热管的研 究近年来受到广泛的关注。 ( 2 ) 平板热管的实验研究 一8 一 大连理工大学硕士学位论文 从宏观上说，平板热管的工作倾角、工作温度和充液率对其性能具有一定的影 响。c a o 等【”】的实验表明竖直放置的热管( 冷凝段在上部) 较水平的热管具有更大的传 热能力。南京理工大学的洪宇平等【l 6 】也对平板热管水平放置和竖直放置的传热性能进 行了比较，研究发现：当热板竖直放置时，由于重力作用，可以降低工质凝结表面的液 膜厚度，起到强化凝结的作用。竖直放置和水平放置的热板表面同一测点温度曲线相同。 当工质充装量较大时，热板竖直工作时表面温度较水平工作时低，加热量较大时温差更 明显。a d a m i 和y i i n d 】报道了一种带有沟槽的平板热管，在考虑重力，水的纯度以及 水的充液量的影响的同时，进行了稳态和瞬态实验。揭示了该热管在3 0 9 5 之间的 稳定运行性很高，且模型和实验结果基本符合。国内的张丽春掣1 8 】、刘建华等 1 9 】也通过 实验分析了工作温度、充液率、不同工作介质和倾角等因素对微小矩形多槽道平板热管 传热性能的影响。 热管是依靠工质的相变来传递热量的，因此工质的各种物理性质对于热管的工作特 性也就具有重要的影响。对于平板热管的工作液体，从低温用的氦、氦到高温用的钾、 钠等，种类繁多。而热管的壳体可以由玻璃、陶瓷和金属材料制成。因此必须考虑壳体 金属与工作液的相容问题，即壳体材料要耐腐蚀，并且工质应该具有良好的热稳定性。 例如，吉林大学的岂兴明【1 2 】在实验中采用了丙酮、乙醇和水作为工质，是因为它们的熔 点、沸点和临界点在工作温度范围内可以良好的工作，而且三者的传输因数都比较高。 热阻是衡量热管质量好坏的主要标准。r h o p k i n s 等 2 0 】对3 个带有轴向毛细槽道的 平板热管在不同工作温度下的传热量、轴向温度分布和热阻进行了理论和实验研究。吉 林大学的岂兴明【1 2 】分别对加热功率、空气的风速、充液率以及工质的种类对热阻的影响 进行了试验。得出如下结论：1 ) 尽量让热管在极限功率以下工作，否则，将会导致热 阻迅速上升，降低换热强度；2 ) 随着风速的增加，换热强度增加，热阻增加，热管的 传热极限上升；3 ) 充液率对热阻的影响并不是很大，但不同的液体其最佳充液率不同。 以丙酮、水、乙醇为工质的平板型热管的最佳充液率分别为：2 0 、5 0 、5 0 ；4 ) 在 实验用的平板型热管中，乙醇的换热性能最好，丙酮最差。 从微观上说，在不同的热流密度下，平板热管的微槽内会发生较为典型的蒸发 与沸腾现象。1 9 9 4 年，e g l e n n 和m c r e g r y 2 1 】对一种新颖的平板热管进行了实验研究。 在这一研究中，作者采用了可视化和摄影的方法，研究了在正常沸腾和接近沸腾限的情 况下，液体和气体分别在毛细芯结构，液体通道，蒸汽流道中的流动现象。胡学功阱】 通过实验对单一气泡在微槽内的产生、发展及最终迸裂的过程进行了可视化实验观察。 另外，胡学功还拍摄了乙醇在不同热流密度条件下发生在某一微槽内的三种较为典型的 l e d 微槽群平板热管散热器研究 蒸发或沸腾现象。结论表明微槽群的高强度的强化换热特性是由薄液膜蒸发和核态沸腾 换热的共同作用造成的。 ( 3 ) 平板热管的数值模拟研究 1 9 7 9 年，h v a n o o i j e l l 和c j h o o g e n d o o m c 2 3 】采用数值计算的方法，研究了有着绝 热顶板的平板热管中的蒸汽流动状况，这是平板热管由经验设计制造到理论分析研究的 开端。 薄液膜蒸发被认为是获得高传热系数或者高热流密度的重要手段，可以极大的 强化微尺度传热。其表现出来的特征是分子作用力，粘性力和惯性力以及毛细力等共同 作用的结果。 19 7 2 年，p o t a s h 和w a y n e r t 2 4 】将d e r j a g u i n 关于脱离压力的概念与他们在一竖直平板 上形成的薄液膜中的发现相结合，对扩展的蒸发弯月面的固有区域以及蒸发薄液膜区域 所发生的传递过程进行了理论描述，认为二维的蒸发弯月面区域内的流动来自于弯月面 外部形状的变化，同时过热的吸热层薄膜的存在导致了扩展弯月面的非蒸发区域与蒸发 区域之间的平滑过渡。 1 9 7 6 年，w a y n e r 等 2 5 】则在分析水平平板上形成的蒸发薄液膜时，完全强调脱离压 力对界面压力突变的贡献，所得到的数值计算结果表明接触线区域的平均换热系数在由 接触线开始的很短距离内有从零增长到一个等于液汽界面换热系数的数值的变化。 ， 1 9 9 6 年，k o b a y a s h i 等【2 6 】对微型热管蒸发段的薄液膜换热特性进行了数值模拟和实 验研究，给出蒸发薄液膜的分布和弯月面的轮廓。 2 0 0 6 年，孙中原 2 7 】详细地考察了微小型多槽平板热管微细槽道内液体弯月面的传 热特性，对弯月面不同部分的传热尤其是蒸发薄液膜在整个微热管中所起的作用进行了 研究。通过建立模型并求解，得到了蒸发薄液膜区域的流动和传热规律，考察了液膜厚 度分布以及薄液膜在不同加热热流和槽道宽度等情况下的换热系数，并且确定了薄液膜 换热在整个弯月面换热中所占的份额。 2 0 0 7 年，寇志海等【2 8 对薄液膜蒸发的界面特性、流动特性和传热特性的研究进展 进行了综述。在界面特性方面，重点介绍了液膜分区和液膜厚度的计算模型，同时介绍 了脱离压力、毛细压力以及界面热阻。流动特性方面介绍了液体流动的驱动力、速度分 布以及干点预测。传热特性方面重点介绍了固液界面温度、气液界面温度和蒸发传热系 数的计算模型。 对于热板来说，工质从蒸发端蒸发，通过横截面积比较大的蒸气腔，然后到达冷 凝端进行冷凝。此时的蒸气流速比较低，因此热板设计时不需要考虑声速限、携带限。 大连理工大学硕士学位论文 另外，由于热板上下表面间的距离很小，蒸气在两表面间流动的压力损失很小，因此沸 腾限和毛细限是影响熟板性能的主要因素。毛细芯中的汽化核心阻碍了液体循环，会导 致过高的局部热流及毛细限的极大降低和局部热点的出现。 1 9 8 6 年，n j g e m e r t 等【2 9 】研究了具有多个分散热源的扁平热管的性能，通过总结最 大液体和蒸气压降可以确定所需的毛细压降，从而确定吸液芯的的核心半径来提供必须 的毛细压降以防止干涸。 1 9 9 5 年，d k h r u s t a l e v 等 3 0 】通过守恒方程建立数学模型，对微槽平板热管的传热能 力进行了研究，并考虑了液体输运极限和沸腾极限的影响。结论认为随着该型热管单位 宽度上槽道数目的增加，管子的当量导热系数增大，并且在热管某一截面上是否出现核 态沸腾取决于此处的弯月面半径和过热度大小。 1 9 9 7 年，c a o 等【3 1 】给出了沸腾极限时的蒸气的临界过热度以及临界热流。可以知道 微型热管的沸腾极限不仅与热管的工况有关，而且还依赖于小的蒸气以及不凝气体气泡 的有效半径。 1 9 9 8 年，p r a t t 3 2 】指出与毛细压力相比蒸发薄液膜末端的脱离压力不占主导，并且气 液界面温度梯度最大，故此处热毛细力最大，最可能出现液膜不稳定现象。在高热流下， 蒸发薄液膜区域可能出现液膜波动现象，导致局部干涸区域的出现，使传热恶化。 2 0 0 5 年，胡学功【2 2 j 指出微槽内的受热干涸有两种表现形式。一种是在较高绝热高 度情况下或在较高的槽道位置区域( 沿槽道方向的相对较薄的液膜厚度区域) ，随着输 入热流密度的增加，微槽内液体由较高的槽道位置的逐渐蒸干的干涸形式；另一种是在 较低的绝热高度情况下或在较低的槽道位置区域( 沿槽道方向的相对较厚的液膜厚度区 域) ，当输入热流密度增大到沸腾换热临界热流密度时，微槽内液体的突然全面蒸干的 干涸形式。 在流动计算和相变计算方面，19 9 2 年，y w a n g 和k v a f a i e 3 3 】研究了非对称平板 式热管中流动和热传递特性，并在理论上第一次详细分析了毛细芯中的相互作用；采用 积分法研究了平板热管的压力场和速度场。 同年，s t e p h a n 和b u s s e e 3 4 】结合界面热力学、流体动力学的润滑理论和边界层近似以 及增广的y o u n g