（工程热物理专业论文）环路热管烧结镍铜毛细芯的设计合成与表征.pdf

a b s t r a c t 摘要 随着电子产品不断的小型化与高性能化 热管理问题已经成为电子产业进一 步发展的主要限制 环路热管在航天器热控制系统的成功应用为下一代电子系统 的散热挑战提供了最具希望的回答 环路热管是一种高效可靠的两相无源传热装 置 其稳定性 高效率的散热以及远距离传输能力使其成为解决下一代电子产品 散热挑战的最理想的方式 目前应用于电子冷却的小型环路热管仍处于探索阶段 而对于环路热管关键部件一毛细芯的研究的开放的文献更是少之又少 本文的目的在于对毛细芯进行深入的研究 以期实现环路热管性能的提高 本研究对环路热管用烧结毛细芯进行了设计 合成与表征的实验研究 建立了毛 细芯烧结实验平台 孔隙率表征实验平台 有效导热系数实验平台 合成了孔隙 率为5 0 7 0 孔径小于1 m 有效导热系数在7w m k 1 5w c m k 之间的 烧结镍铜毛细芯 本研究的创新点在于 1 首次合成了镍铜合金毛细芯 对其烧结方法以及 最佳烧结温度 烧结时间 冷压压力和后处理机加工方式进行了探索 确定了毛 细芯的最佳烧结参数 2 对毛细芯的结构进行了表征 实验证明烧结镍铜毛细 芯具有孔径小 孔隙率高的特点 这有利于毛细芯的为环路运行提供较高的毛细 压头与降低环路流动阻力 3 对毛细芯的热物理特性进行了表征 实验证明铜的 加入可以降低毛细芯的有效导热系数 这有利于提高环路热管的最高工作温度 降低热泄漏以及热阻 为环路热管的发展做出了贡献 4 利用x r d 对铜引起的 导热系数的降低进行了探讨 为进一步降低导热系数提供了基础数据 关键词 环路热管 毛细芯 烧结 孔隙率 孔径 有效导热系数 a b s t r a c t a bs t r a c t m i n i a t u r i z a t i o na n dh i g h e rp e r f o r m a n c eo fe l e c t r o n i cd e v i c e sc o r r e s p o n dt ot h e p e r m a n e n tt r e n do f e l e c t r o n i cm a r k e t h i g hh e a tf l u xd u et oi n c r e a s i n gd i s s i p a t e d p o w e r a n dd e c r e a s i n gv o l u m eh a sm a d et h e r m a lm a n a g e m e n tag r e a tl i m i t a t i o nt ot h e d e v e l o p m e n to fe l e c t r o n i ci n d u s t r y t h es u c c e s s f u la p p l i c a t i o no fl o o p h e a tp i p e s l h p i ns p a c e c r a f tt h e r m a lm a n a g e m e n th a sp r o v i d e dt h em o s tp r o m i s i n ga n s w e rf o r t h ec h a l l e n g i n gt h e r m a lm a n a g e m e n to fn e x tg e n e r a t i o ne l e c t r o n i cs y s t e m s a nl h p i sap a s s i v ea n dr o b u s tt w o p h a s eh e a tt r a n s f e rd e v i c e t h er o b u s t n e s sa n dh i g h e f f i c i e n c yo fl h p m a d et h e mi d e a lc a n d i d a t e st om e e tt h ee v e ri n c r e a s i n gt h e r m a l c h a l l e n g e so fn e x tg e n e r a t i o ne l e c t r o n i cd e v i c e s t h em a i ng o a lo ft h i sr e s e a r c hi st ot h o r o u g h l yi n v e s t i g a t ek e yc o m p o n e n tu s e d i nl o o ph e a tp i p e s c a p i l l a r yw i c k s w h i c ha l ed e s i g n e d s y n t h e s i z e da n dc h a r a c t e r i z e d t h ee x p e r i m e n t a lp l a t f o r mf o rs i n t e r i n gt h ew i c k s c h a r a c t e r i z i n gt h ep o r o s i t ya n d t h e r m a lc o n d u c t i v i t yo ft h ew i c k sa r eb u i l t w i c k sw i t ht h ep o r o s i t yf r o m5 0 t o7 0 p o r er a d i u sl e s st h a n1g m e f f e c t i v et h e r m a lc o n d u c t i v i t yf r o m77w m k t o1 5 w m k a r es y n t h e s i z e d t h ec o n t r i b u t i o no ft h i sr e s e a r c hi st h a t 1 t h ef i r s ts u c c e s s f u ls y n t h e s i so f n i c uw i c k si nt h ew o r l da n de x p l o r a t i o no fo p t i m a ls i n t e r i n gp a r a m e t e r s 2 c h a r a c t e r i z a t i o no f t h es t r u c t u r ea n dt h e r m o p h y s i c a lp r o p e r t i e so f n i c uw i c k s t h e f i n ep o r e h i g hp o r o s i t ya n d l o wt h e r m a lc o n d u c t i v i t yw o u l db e n e f i tt h ep e r f o r m a n c e o fl h p s 3 d i s c u s s i o na b o u tt h ec u i n d u c e dt h e r m a lc o n d u c t i v i t yr e d u c t i o nu s i n g x r a yd i f f r a c t i o nt e s t t h i sw o u l dp r o v i d et h et h e o r e t i c a lb a s i sf o rf u r t h e rr e d u c t i o no f t h e r m a lc o n d u c t i v i t yo fw i c k s k e y w o r d s l o o ph e a tp i p e s w i c k p o r o u sr a d i u s p o r o s i t y e f f e c t i v e t h e r m a lc o n d u c t i v i t y 图表口录 图表目录 图1 1 集成电路上晶体管的数量与m o o r e 定律 2 图1 2 芯片热流密度的发展趋鳓1 2 图1 3 各种不同形式的环路热管 9 4 图1 4l h p 原理概念图 2 9 5 图1 5 环路热管热力学分析图 2 9 6 图1 6 环路热管及其冷却系统 c i c h u 2 6 9 图1 7 远程热交换系统 p a s t u k h o 1 5 9 图1 8 冷凝器内中子成像 c i m b a l a 3 0 1 0 图1 9 松散烧结毛细一e z a n 2 7 1 0 图1 1 0 低噪音电子冷却系统 p a s t u k h o v 1 6 1 1 图3 1 冷压过程与脱模过程示意图 2 4 图3 2 冷压脱模后初成型的毛细芯 2 5 图3 3 烧结炉 氩气保护 控制柜 2 5 图3 4 烧结炉 2 6 图3 5 前期准备工作 2 7 图3 6 冷压与脱模模具 镍粉铜粉 以及石墨纸 2 7 图3 7 石墨坩埚 2 8 图3 8 石墨坩埚俯视 2 8 图3 9 a 设计压力组毛细芯冷压毛胚i b 设计压力组毛细芯烧结成品 3 1 图3 1 0 毛细芯外表面良好的吸水性 3 2 图3 1 1 车削方式加工的毛细芯外表面s e m 图 3 0 0 0 倍 3 3 图3 1 2 电火花加工的的毛细芯外表面s e m 图 5 0 0 倍 3 3 图4 1j e o l j s m 7 6 0 0 f 扫描电镜图 4 1 图4 2 a b 镍铜配比8 2 设计孔隙率5 0 毛细芯孔径测量 4 1 图4 3 镍铜配比8 2 设计孔隙率6 0 毛细芯孔径测量 4 1 图4 4 a b 镍铜配比8 2 设计孔隙率7 0 毛细芯孔径测量 4 2 图4 5 a b 镍铜配比9 1 设计孔隙率7 0 毛细芯孔径测量 4 2 v i ij 东人学硕上学f 市论文 图4 6 a b 镍铜配比9 1 设计孔隙率6 0 毛细芯孔径测量 4 2 图牛7 a b 纯镍 设计压力3 2m p a 毛细芯孔径测量 4 2 图4 8 a b 镍铜配比9 1 设计压力3 2m p a 毛细芯孔径测量 4 2 图4 9 a b 纯镍 直接冷压烧结毛细芯孔径测量 4 2 图4 1 0 镍铜配比9 1 直接冷压烧结毛细芯孔径测量 4 3 图5 1 毛细芯实物图 4 7 图5 2 毛细芯有效导热系数实验平台 4 8 图5 3 热电偶于实验台上的布置 4 9 图5 4 毛细芯有效导热系数测量温度分布曲线 以2 毛细芯为例 5 0 图5 5 a 毛细芯与测量装置的温度分布 b 4 毛细芯与测量装置的温度分布 s 2 图5 6 3 嚣干态毛细芯有效导热系数曲线拟合 5 3 图5 7 实验值与a l e x a n d e r 模型之比较 5 3 图5 8 未烧结镍铜混合粉末 nj 1 0 w t c u 毛细芯粉末 n t 2 0 w r c u 毛细j 卷粉末的x r d 图谱 a 2 e 位于3 0 至8 伊之间i b 2 e 位于4 2 至4 6 a 之问 5 5 表格同录 表格目录 表3 1 直接冷压烧结 松散烧结 毛细芯 2 9 表3 2 设计冷压压力烧结毛细芯参数 3 1 表3 3 设计孔隙率烧结毛细芯参数 3 1 表4 1 直接冷压烧结法毛细芯孔隙率以及渗透率的测定 3 8 表4 2 不同的烧结参数对于毛细芯孔隙率和渗透率的影响 3 8 表4 3 冷压脱模烧结法设计压力组毛细芯的孔隙率和渗透率与松散烧结组的比较 3 8 表4 4 冷压脱模烧结法设计压力组毛细芯的收缩现象 3 9 表4 5 冷压脱模烧结法设计孔隙率组毛细芯的收缩现象 3 9 表舢6 冷压脱模烧结法设计孔隙率组毛细芯的孔隙率和渗透率 3 9 表牛7 不同烧结方法与不同镍铜混合比的毛细芯的孔径 4 3 表5 1 有效导热系数测试毛细芯试样信息 4 7 符号表 x r t b n m c k o g g o a l l o m 卢f 凡 r i k e v 口 m m v p 王 f 磊 k 也 符号表 烧结颈半径 粉末半径 等温烧结时间 材料与形状常数 烧结机理特征指数 粉末尺寸常数 取决于孔洞移动的传递机理的常数 材料常数 晶粒长大激发能 零时刻的晶粒尺寸 收缩率 质量流率 粘度 毛细芯的外径 毛细芯的内径 渗透率 毛细芯的长度 毛细芯干重 毛细芯湿重 毛细芯的体积 孔隙率 毛细芯的粘性渗透系数 金属粉末粒径 毛细芯导热系数 固体导热系数 m m i s s j m m 2 m w m k w m k 洲呲州州呐州酗酊呐 l l l l l l l i l f 东人学硕卜学化论文 k f e 口 液体导热系数 孔隙率 经验参数 w m k 第一章绪论 1 1 背景 1 1 1 未来系统的散热挑战 第一章绪论 电子产品已经渗透到我们生活的每一个方面 而其中最普遍的就是计算机 其形式从手持p d a 到大型主机和服务器 而有些嵌入式的计算机我们甚至意识 不到其存在 其应用从娱乐游戏到用于支撑经济 科学研究以及国防的大型高复 杂系统 无处不在的计算机意味着一旦它发生故障或者失效将会造成灾难性的后 果 因此 对于增强计算机可靠性的研究与增加其运算速度与存储能力的研究有 着同等的重要性 自从2 0 世纪4 0 年代第一台电子计算机出现之日起 热管理系统便开始扮演 十分重要的角色 第一台电子计算机e n i a c t h ee l e c t r i c a ln u m e r i c a li n t e g r a t o ra n d c o m p u t e r e n i a c 于1 9 4 6 年诞生于美国的宾夕法尼亚大学 这台有3 0 吨重 体 积要占满一节火车车厢的大家伙需要一组大型风扇来冷却从1 8 0 0 0 个真空管散 出的1 4 0 k w 的热量 与e n i a c 一样 i b m 早期的真空管计算机也采用空气冷却 1 1 9 5 9 年 美国德州仪器 t e x a si n s t r u m e n t s t i 的k i l b y 发明了集成电路 i n t e g r a t e dc i r c u i t i c 从此芯片的集成度得到飞速发展 历经s s i 和m s i 以及l s i 2 0 世纪8 0 年代的超大规模集成电路 v e r yl a r g es c a l ei n t e g r a t i o n v l s l 可使得一个 芯片集成成千上万的晶体管 2 2 0 1 0 年 i n t e l 的8 核x e o nn e h a l e m e x 微处理 器芯片上集成了2 3 亿个之多的晶体管 图1 1 展示了集成电路上晶体管数量的 发展趋势精确的依照m o o r e 定律 但是同理 如图1 2 所示 晶体管密度的增加 导致芯片上产生的热流密度也必将同样的按照指数增长 3 j 单一芯片热流密度增加的同时 芯片的封装密度也在增加 这与电子产品市 场上对于小型化的要求是对应的 而且高密度封装的优点非常明显 高密度封装 电子设备的体积与重量大大减小 符合消费者的需要 而紧凑的体积可以降低信 号传递的延迟 从而提高硅效率 4 5 s i l i c o ne f f i c i e n c y 降低噪音 传输线路的 jj 东大学硕上学1 市论文 缩短可达到一个数量级 耗散在传输线路上的热也大幅减少 从而达到节能的目 的 但是体积的减小与面积的提高会导致热流密度的大大增加 不仅导致了热流 密度的进一步增加 同时还带来了散热上的困难 散热问题已经成为电子产业发 展的主要限制 c p ut r m n s i m o rc o u n t s19 7 1 2 0 0 8 m o o n sl a w 0 0 q a 0 0 l a 伽日 2 棚 一端蒜 一 一 乙 一 g r 一忡 o m n 黛 啦 d a t eo f 如由口d u c m 图1 1 集成电路上晶体管的数量与m o o r e 定律 图1 2 芯片热流密度的发展趋势 1 为应对这个挑战 全世界的科学家分别于2 0 0 2 年以及2 0 0 7 年于美国的s a n t a f e 召开了t h e r m e s t h e r m a lc h a l l e n g e si nn e x tg e n e r a t i o ne l e t r o n i cs y s t e m 大会 2 一一 一 一 芒置珏圣莹霉 声 第一章绪论 6 7 来自各国的电子封装的专家学者讨论了下一代电子产品面临的巨大挑战与 应对措施 会议确定了热管理发展的r o a dm a p 并提出两相散热已经成为有效 的方式 2 0 0 4 年 m c g l a n 等人 8 对高功率电子设备的热管理做了综述 并预言 电子产品散热热流密度可达1 5 0 2 0 0w c m 2 其峰值可达4 0 0w c m 2 传统的空 气冷却已经到达极限 在未来采取两相散热装置成为必然 另一方面 航天电子系统的散热也是热管理研究的热点 在外太空中 近乎 真空的环境使得传统的主要的传热方式 对流对系统散热的贡献微乎其微 大 量的系统产生的热量无法通过风扇等传统方式散出 同时 面对以及背对太阳的 表面其温差非常大 会对整个航天器产生非常大的热应力 而普通重力热管在太 空中将完全失效 而毛细芯热管则无法灵活布置于复杂的系统中 因此 如何散 出系统产生的热量以及保持整个系统的温度均匀 一直都是美国国家航空宇航局 n a s a 各研究中心的主要课题 1 1 2 环路热管 环路热管 l o o ph e a tp i p e 简称l h p 是一种高效可靠的两相无源传热装置 它利用工质流体的蒸发与冷凝的相变潜热来传递热量 同时 它与常规热管相同 利用其内部毛细结构产生的表面张力驱动回路运行 l h p 作为一种无源装置 它 的运行不需要外力的推动 因此可靠性佳且寿命较长 与常规热管相比 l h p 还 拥有可以克服重力稳定运行 蒸汽与液体传输管路分离 并且均为光管 沿程阻 力小等优点 9 上个世纪7 0 年代 在冷战对峙的两个超级大国一前苏联与美国 分别独立 的诞生了运行机理完全相同而外形略有不同的两种高效换热设备 h e a tt r a n s f e r a p p a r a t u s 前苏联的l o o ph e a tp i p e t o 环路热管 l h p 和美国的c a p i l l a r yp u m p e d l o o p 1 1 毛细泵回路 c p l l h p 和c p l 在之后的时间一直作为俄罗斯科学院u r a l 热物理研究所 1 2 1 7 和n a s ag o d d a r d 研究中心 1 8 2 0 的主要课题 1 9 8 9 年 在第8 界国际热管大会上 俄罗斯科学院的m a y d a n i k 向全世界第一次公布了环 路热管的研究成果 随后 在欧洲核子物理研究中心c e r n 2 1 中国的空间技 术研究院 山东大学热科学与工程研究中心 2 2 2 5 台湾大学 2 6 2 7 加拿大的 c a r l t o n 1 9 2 0 大学 法国的里昂国立应用科学研究院i n s a l y o n 2 8 2 9 美国的 3 山东大学硕士学位论文 宾夕法尼亚州立大学 3 0 以及澳洲的皇家墨尔本理工学院r m i t 3 1 3 4 都开展了 关于环路热管应用或是相关的理论研究 n a s a 也由c p l 转型到l h p 的研究 2 0 0 4 年 m a y d a n i k 被选为国际热管大会常务委员会主席 图1 3 各种不同形式的环路热管 9 一个典型的l h p 由五部分组成 蒸发器 补偿器 冷凝器 蒸汽与液体传输 管路 一般毛细芯由铜 镍 不锈钢等金属粉末烧结而成 也有陶瓷以及有机材 料合成 毛细芯仅存在与蒸发器和补偿器中 环路的其余管路由光滑管壁构成 l h p 的原理图见图1 4 4 第一章绪论 乡h e a to u t p u t 图1 4l h p 原理概念图 2 9 l h p 的运行过程与常规热管相似 然而毛细芯与传输管路分离的设计使得 l h p 比常规热管的运行更加有效 热源的热量传递到蒸发器上 蒸发器和补偿器 的温度都会升高 由于毛细芯的热阻 t h e r m a ll o c k 和压阻 h y d r a u l i cl o c k 作用 蒸发器的温度和压力都要高于补偿器 当温度和压力都足够高时 工质开始汽化 同时在毛细芯汽液交界面上形成新月形液面以提供毛细力推动蒸汽通过蒸汽传 输管路到达冷凝器 这个过程称为l h p 的启动 当蒸汽到达冷凝器时 将热量排 到冷源 并开始凝结为液态 并在毛细力的作用下继续前行到达补偿器中 补偿 器中的工质处于汽液两相共存状态 用来储存环路中的多余的液体以控制环路运 行温度和压力 最终工质回到蒸发器完成循环 热源的热量为循环驱动力的唯一 来源 整个回路运行不需要任何的外部泵驱动或者活动部件 为使环路能够连续不断的运行 主 毛细芯必须能够提供足够的毛细力以克 服整个环路中的压降 毛细结构的最大优点在于它的半月形液面可以自动调节曲 率以平衡系统总压降 系统总压降为蒸发器槽道 液体与蒸汽传输管路 冷凝器 以及工质穿过毛细芯时的摩擦压降与重力作用的和 屹 叱 皑g 蛾 嵋 1 1 毛细芯所能提供的毛细力为 a p 2 0 c o s g r 1 2 i i i 东人 硕l 学f j j 论文 其中仃为工质流体的表面张力 r 为毛细芯中半月形液面的曲率 秒为工质流体 与毛细芯的接触角 热负载的增加需要更多的工质来带走热量 会使得质量流率 增加 从而引起系统总压降的增加 同时 半月形液面曲率变小 毛细力将增大 以平衡系统总压降的增加 当半月形液面的曲率与毛细芯的孔径r p 相同时 毛 细芯的产生的毛细力达到极值 舢 2 盯c o s 曰 r p 1 3 热负载的进一步增加会使得蒸汽穿过毛细结构而引起系统 因此 正常运行情况 下必须满足如下条件 峨 1 4 热力学分析对于理解环路热管的运行过程非常重要 如图所示为环路热管理想的 热力学循环p t 图与饱和曲线 图1 5 环路热管热力学分析图f 2 9 毛细芯处的液体受热汽化变为饱和蒸汽 点1 在经过蒸发器槽道的时候 由于继续受到热源的加热以及摩擦阻力的作用 在蒸发器出口处变为过热蒸汽 i 2 段 假设蒸汽传输管路绝对绝热 蒸汽在蒸汽管路中无温度降 但是压力 由于沿程阻力的作用在不断降低 2 3 段 在到达冷凝器入口之前 蒸汽的过热 度不断升高 点3 在冷凝器内蒸汽将其过热量及汽化潜热 点4 释放给冷源 6 第 章绪论 在冷凝器传输过程中 工质的温度和压力不断降低 到达点5 时蒸汽凝结过程结 束 压力和温度继续降低 5 6 段 在冷凝器出口处 点6 工质处于过冷状态 达到补偿器入口 点7 前 过冷度达到最高 工质在蒸发器中受热 点8 开 始下一个循环 由上图可知 环路热管的运行必须满足如下条件 一圪 匕一 己肼 d p a r r v 一已 1 5 其中t v 是点l 处饱和蒸汽的温度 t c c 是补偿器中液体的饱和温度 d p d t 是t c c 处饱和曲线的斜率 该式表明 若蒸发器与补偿器之间存在压力差 则它们之间 必存在温度差 且压力差与温度差之间为对应关系 点8 点9 的过程表示工质穿过毛细芯到达蒸发器 由于该过程十分短暂 工 质可能不经过沸腾的过程而直接变为过热状态 点9 的状态决定了蒸发器半月形 液面上工质的状态 p 1 9 用来平衡整个环路压降 文献 2 8 3 5 4 4 对环路热管的 启动特性 滞后特性以及温度振荡等运行特性进行了研究 文献 1 2 1 7 3 0 3 3 4 5 5 6 对环路热管的应用以及性能进行了研究 运行的鲁棒性 被动的运行方式以及非常的散热能力使得环路热管将成为未 来电子设备的最有前景的冷却方式 相对于普通热管 环路热管具有如下优点 1 毛细结构仅存在与蒸发器中 这使得其孔径可达到1 1 0 9 m 成为可能 较小的孔径可以产生大的毛细压力 然而也会增大工质穿过时的流动阻 力 与常规热管不同 环路热管中的毛细芯的长度仅为几个或几十个毫 米 大大降低了流动阻力 2 蒸汽传输管路与液体传输管路分离 蒸汽与液体在传输过程中不存在粘 性接触与互相携带问题 而仅与光滑管壁接触 沿程阻力大大降低 该 设计使得小口径管道以及更灵活的布置成为可能 3 更为高效的 逆液面 i n v e r t e dm e n i s c i 设计 液面能够最大限度的接近 热源 蒸汽直接被加热源过热 效率提高 同时大大降低了热阻 4 冷凝器的布置更加灵活 冷凝器可以采用多种形式 翅片管型 带有水 7 1 f i 东人学硕上学何论文 和蒸汽机箱型 管壳式 辐射器型等 采用的冷却方式也很多 空气冷 却 水冷 辐射散热 它们之间的灵活组合可以使得环路热管在不同条 件下发挥最佳的换热效果 目前环路热管已在航空航天上应用广泛 目前使用环路热管作为空间热控系 统的航天器有 俄罗斯航天局r k a 的g r a n a t 与o b z o r 航天器 波音 b o e i n g h u g h e s 公司h s 7 0 2 新一代通讯卫星 中国风云1 c 气象卫星 俄罗斯的m a r s 9 6 与德国 的e x p r e s s 发射失败 美国n a s a 的i c e s a t i c e c l o u d a n dl a n de l e v a t i o ns a t e l l i t e 法国国立空间研究中心c n e s 的s t e n t o r 并成为n a s a 的g l a s e o s c h e m i s t r y 以及g o e s 航天器 欧洲航天局e s a 的a t l i d 以及许多商用卫星的热控系统 t h e r m a lc o n t r o ls y s t e m 的设计基准 b a s e l i n e 1 1 3 毛细芯 环路热管的关键部件 作为环路热管中的核心部件 蒸发器内的毛细芯 其参数将直接决定环路 热管的运行特性 与常规热管不同 环路热管毛细芯在工作时基于 逆向弯月面 原理 i n v e r t e dm e n i s c u s 1 8 进入蒸发器的热量被分为两部分 其中绝大部分 大于9 0 使工质由液态变为蒸汽 最终被工质带到冷凝器释放给热沉 蒸汽冷 凝变回液态 另一部分热量以热传导的方式穿过毛细芯进入蒸发器内核以及补偿 器 将使补偿器温度 即饱和温度升高 由于环路热管内温度与压力的耦合作用 补偿器温度的升高将使得环路热管其余部分的温度升高 从而降低了环路热管的 性能 该部分热量称为热泄漏 h e a tl e a k 1 9 毛细芯有效导热系数通过影响蒸发器的空间温度分布 对环路热管的性能影 响很大 较高的有效导热系数会拉平毛细芯内外表面的径向的温度梯度 从而引 起更多的热泄漏 同时增加蒸汽在内表面产生以及蒸汽穿透的可能性 如果热泄 漏不能及时的被从冷凝器流回的过冷流体工质所中和 热泄漏的积累会导致补偿 器的温度 即环路热管运行温度的增加 从而使得整个环路的热阻增加 自从上世纪9 0 年代末期以来 应用于电子设备冷却的小型环路热管 m l h p m i n i a t u r el o o ph e a tp i p e 系统逐渐引起了人们的关注 一些之前专门从事环路热 8 第一章绪论 管研究的科研机构和专门从事电子冷却研究的科研机构都逐渐的转向了该研究 并通过的合作对该课题做出了较大的贡献 台湾大学的c h u 2 6 等人设计制造了外径1 3m m 长度5 0m m 的不锈钢 氨 小型环路热管 研究结果发现 在冷源温度为4 0 c 环境温度为3 0 c 的情况下 该m l h p 的最大传热能力为2 0 0w 工作温度为8 0 c 热阻为0 1 7k w c h u 发现降低毛细芯的厚度可降低蒸发器的温度 从而增强m l h p 的性能 同时 环 境温度是导致试验与理论分析之间的微细差别的因素 俄罗斯科学院热物理研究所的p a s t u k h o v z s 等人研究了用于冷却移动式计 算机的基于m l h p 技术的远程换热系统 r h e r e m o t eh e a te x c h a n g e 该m l h p 为 不锈钢材料 以氨为工质 其外径为6m m 传热距离达到2 5 0m m 研究结果 发现 在室温为2 4 2 c 时 冷凝端采用强制对流冷却方法可使最大传热能力 达到8 0w 该m l h p 的自身热阻为0 3 0 5 c w 而远程换热系统的总热阻达到 1 9 2 4 c w 在热负载为2 5w 以及环境温度为3 5 c 的情况下 c p u 的温度为 8 3 9 0 c 缀鬻 潜磁鋈黧鬣鏊i 曩滋 l 帕u 妇l i n e c o m p e n s a t i o nc h a m b e r 图1 6 环路热管及其冷却系统 c i c h u 2 6 n a a a j 麓缀翻簌 z 0h p m v a 竺 哪歹 i 一 s a c 蜘伊 蛔 pf i 萋 e 0 il 08 董 爿 l j o 日n d e n s e r 皇 l 呻 一二纛蕊聿 鑫 5 0 圆 a v e i l a b ks d a c e 一 图1 7 远程热交换系统 p a s t u k h o v 1 5 山东大学硕士学位论文 来自美国的宾夕法尼亚州立大学 p e n n s y l v a n i as t a t eu n i v e r s i t y u s a 的j o h n m c i m b a l a 3 0 等人应用中子透射技术研究了环路热管的工作机理 特别是冷凝 器中冷却水的分布情况 结果表明 中子成像法是研究l h p 的有效工具 并使对 l h p 各部件两相流的可视化研究成为可能 c i m b a l a 预言中子成像法会大大促进 l h p 技术的发展 图1 8 冷凝器内中子成像 c i m b a l a 3 0 台湾大学的k j z a n 2 7 等人建立了烧结镍粉末毛细芯的实验公式 并基于 该公式使用冷压法烧结了孔隙率为6 5 8 0 的一系列的镍芯 并测量了其孔径与 渗透率 实验结果表明 毛细芯的各参数存在一个最佳组合 可以使得环路热管 的性能达到最佳 z a n 等人的l h p 性能可达到 最大传热能力为5 0 0w 在最大 可接受的工作温度8 0 c 下 热阻为0 1 2k w 图1 9 松散烧结毛细芯 z a n 2 7 蠢霉 誓 簟臻 囊漱 i 第一章绪论 德国斯图加特大学的yc h e n1 3 7 等人联合俄罗斯科学院热物理研究所研究 了世界上第一台外径为5m m 的环路热管 研究结果发现 除了蒸发器位于补偿 器之上的情况 冷源温度为2 5 c 时 蒸发器可承受最大热负载为2 0w 最大的 蒸发器工作温度为7 5 c 热阻为o 2k w 除了 冷凝器位于蒸发器之上 以及 蒸发器位于冷凝器之上 两种情况外 该环路热管均可平稳启动或略微出现温 度过冲现象 俄罗斯科学院热物理研究所的m a y d a n i k 1 3 等人设计并测试了两个不同的 m l h p m l h p l 为不锈钢材料 工质为氨 蒸发器外径为5m m m l h p 2 的材料 为铜 工质为水 蒸发器外径为6m m 测试结果表明 在冷源温度为2 0 c 并 采用强制空气对流冷却时 m l h p l 与m l h p 2 的热负载分别为7 0w 和1 3 0w 相对应的热阻的最小值为0 1 2k w 与0 1k w 蒸发器温度不超过1 0 0 c 时 m l h p l 和m l h p 2 的最大传热能力分别为9 5w 和1 4 0w 同时 m a y d a n i k 的实 验证实了他的预言 小型环路热管完全可以满足未来电子产品的散热要求 即蒸 发器与周围环境的热交换强度可达到5 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0w m 2 k p a s t u k h o v 1 6 等人测试了四种基于环路热管技术的低噪音个人电脑冷却系 统 实验中针对c p ui n t e lp 4 2 8 g h z s o l t e c s o c k e t4 7 8 i n t e l8 4 5 主板 以及c p u a m da t h l o nx p 2 s 0 0 1 8 3 3 g h z a s u s7 v 8 x x l a n s o c k e ta 主板 进行了冷却 实 验结果表明 在自然对流条件下 带有集箱的冷凝器冷却效果最佳 这种冷凝器 可在小于7 0 c 的条件下散掉l o o w 的热量 热阻为0 5 k w 同时 引入主动补 偿器和使用强制对流冷却方式可大大增加系统效率 图1 1 0 低噪音电子冷却系统 p a s t u k h o v 1 6 i i i 东人 硕t 学何论文 澳洲皇家墨尔本理工学院的r a n d e e ps i n g h 3 1 等人设计并研究测试了一种 用于冷却电子设备的高性能微处理器的新型的平板蒸发器m l h p 其蒸发器的厚 度仅为5 m m 而补偿器在毛细结构的一侧 并与蒸发器同轴 测试结果表明 该系统完全可以不经过任何奇异的温度现象而达到稳态 在强制空气冷却的条件 下 该m l h p 从蒸发器到冷凝器之间的热阻最小值可达到0 6 2 k w 可散掉的最 大热负载为5 0 w 相对应的工作温度为9 8 5 c 而系统组热阻在1 5 5 2 3 k w 之 间 白俄罗斯l u i k o v 传热传质研究院的l v a s i l i e v 1 7 等人研制了用于冷却高功率 电子元件的环路热管 并对其进行实验研究 其开发的新型冷压烧结技术采用软 性聚合物材料作为冷压模具 使得毛细芯的结构均一性与热物理性质更加均匀 毛细芯的材料为镍粉和钛粉 环路热管的蒸发器外径为1 6m m 长度为2 8 0m m 最高工作功率可达9 0 0w 最高工作温度l o o q c 最长传输距离为1 5m 同时实 验结果表明 环路热管的空间位置对于其整体性能无很大的影响 巴西国立空间研究院的r r i e h l 5 1 等人研制了带环状槽道的主毛细芯的环 路热管 研究了毛细芯环状槽道对于环路热管性能的影响 实验结果表明 环状 槽道毛细芯比普通毛细芯的接触面积高2 0 这样的设计可以使热源温度降低 5 0 同时 环状槽道还可以更有效排出蒸汽槽道内的蒸汽 并在启动前在槽道 中积聚更多的液体 这些都有利于环路热管整体性能的提升 该环路热管的最高 工作功率为8 0 w 美国洛杉矶加州大学的ts e m e n i c 5 7 等人研制了一种双孔隙分布 b i p o r o u s 的毛细芯 并对其临界热流密度进行的实验研究 在他们的研究中 粒径在5 3 6 3 p m 的铜粉首先被烧结成5 0 0 7 1 0p m 的团簇 然后再将团簇烧结为2 0m m 长3 m m 宽的毛细芯 实验结果表明 毛细芯的传热性能与其沸腾长度成反比 较短 的沸腾长度意味着较短的从液体至沸腾区的路径 1 2 研究动机与研究目标 环路热管在航天器热控制系统上的成功应用为下一代电子系统的散热挑战 提供了最具希望的回答 目前应用于电子冷却的小型环路热管仍处于探索阶段 第 章绪论 而对于环路热管关键部件一毛细芯的研究的开放的文献更是少之又少 但是合 成有着最优性能同时成本较低的毛细芯成为环路热管研究的重中之重 本研究创新性的提出镍铜合金毛细芯 并对其进行了设计 合成以及表征的 全面的实验研究 本文的目标有 1 探讨毛细芯烧结的最合适参数 以及各参数的影响 2 测试烧结镍铜毛细芯的孔隙率以及孔径 计算毛细芯的渗透率 3 测试干态与饱和工质态的毛细芯的有效导热系数 4 探讨烧结镍铜毛细芯适用的有效导热系数模型 为环路热管性能的模拟 提供理论基础 5 探讨铜的加入对于有效导热系数的影响 为进一步降低有效导热系数提 供理论依据 第一章理论分析 2 1 烧结理论 第二章理论分析 挤压在一起的金属粉末在被加热到约绝对熔点温度的二分之一以上时粘结 在一起的现象称为烧结 微观的粘结发生于粉末接触的地方 即颈部 粒径比 即颈部的尺寸与粉末直径的比值 是衡量烧结的一个关键参数 粉末烧结现象是 由于表面能的过剩 在足够高温度下 由晶格扩散引起的质传递逐渐显著 在原 子尺度下 原子进入颈区会引起总表面积的减少 从而减少总表面能 因此是一 个自发的过程 烧结颈的长大主要取决于扩散过程以及其他相关传递机理 扩散是由于原子 在热激发下获得了位移的必要激发能量 尽管对于能量在激发态以上的单原子 位移并不会造成能量的增加或者减少 但是原子移动到粉末间的烧结颈区域时 总表面积将减少 因此该原子的位移是有利的自发的 基于该原理 延长金属粉 末的加热时间会导致烧结颈的长大 进一步的降低系统总能量 根据等温加热时间的不同 烧结过程分为三个阶段 分别为 初期 中期和 末期 初期指对于非压实的粉末 粒径比小于0 3 的烧结阶段 此时 粉末间的 颈部区域形成尖锐的曲率梯度 孔结构为完全连通的 但孔的形状较为粗糙 若假设粉末形状尺寸相同且相互间为点接触 由单一传递机理引起的烧结颈 的长大可由如下公式表示 舻导 仁1 其中x 为烧结颈半径 r 为粉末半径 t 为等温烧结时间 b 为材料与形状 常数 n 为机理特征指数 m 为取决于粉末尺寸的常数 n m 以及b 的值均 取决于质传递机理 g e r m a n 5 8 给出了部分材料的值 本模型只适用于初期烧结 阶段 l i j 东大学硕卜学化论文 由式2 1 易知粒颈比对于粉末尺寸的倒数非常敏感 较小的粉末尺寸会导致 较快的烧结 但是 由于温度出现在指数项中 因此很小的温度变化便会产生非 常大的影响 而时间相对于温度和颗粒尺寸来说对粒颈比的影响则要小得多 在中期烧结阶段 孔结构为互相连通的圆柱状 且变得更加光滑 此时 烧 结的关键由烧结颈的长大转为晶粒 孑l 洞结构 烧结动力学主要为表面间能 包 括表面能与晶界能 n i c h o l s 指出多孔固体的晶粒尺寸g 的长大有以下规律 一生 g g o 牟k t e 打 2 2 其中指数c 取决于孔洞移动的传递机理 k 为材料常数 t 为时间 q g 为晶粒长 大的激发能 g o 为零时刻的晶粒尺寸 若假设在中期烧结阶段的晶粒形状为十 四边体 且圆柱形孔洞占满晶粒边缘 则孔径r 晶粒尺寸g 以及孔隙率e 有如 下关联式 仁4 彳二 1 2 l g 2 3 此关联式表明晶粒尺寸会随着孔的合并或是孔隙率的降低而增加 在中期烧结阶 段的后半部分晶粒的生长更容易发生 因此会伴随孔洞的位移和孔洞的封闭的产 生 晶粒的边界对于维持高烧结率是非常重要的 随着孔洞结构的收缩 孔隙率 会有8 左右的浮动 此时 圆柱形的孔洞坍缩为球形孔 而这并非有利于减缓 晶粒的生长 在许多情况下 微结构中孔洞会与晶粒边界相分离 球形封闭的孔 洞意味着末期烧结阶段的出现 末期的烧结动力学非常缓慢 以孔洞和固体界面 区域的消除为主 当探讨颗粒尺寸对于烧结的影响时 考虑粉末的分布性质 烧结的模型通常 进行均质几何假设 但是在实际粉末系统中 存在着颗粒尺寸 每个颗粒的接触 点的分布 若进行压实的话 还需考虑被压平的颗粒的分布 同时必须考虑烧结 并非单一机理的过程 许多的材料 比如铜的烧结便是一个包含有数个质传递模 型的复杂过程 由于对颗粒尺寸的敏感度的不同而随着颗粒尺寸的改变导致主要 第 章理论分析 烧结机理的转移是有可能的 总体上说 较小的颗粒有利于表面扩散烧结也会导 致总体烧结速率的提升 颗粒尺寸的减小对于表面扩散和晶粒边界扩散相比于其 他过程是增强的 晶格扩散对于金属粉末的烧结是一个常数因素 因为晶格扩散 对于晶粒尺寸没有前两个过程敏感 许多情况下 烧结伴随着维度降低的热收缩 随着烧结颈的产生 烧结过程 中整体的传递过程会改变颗粒间距 这将导致粉末压胚的收缩 c o b l e 给出了颗 粒中心与颈粒比的关联式 丝 羔 1 2 一 l l l o l 2 尺 2 4 其中收缩率彳饥o 可认为是压胚长度的改变与初始长度的比 该方法只适 用于整体传递过程 收缩率是跟踪烧结过程的一个有用的参数 它可以避免对单 一烧结颈的测量 因此对于研究整体粉末压胚的平均效果是有益的 对于选择金属粉末的烧结气氛需基于以下几种考虑 几乎所有的金属粉末都 需要防止氧化的保护 在粉末表面的氧化物会阻止粉末间的扩散 假如氧化已经 发生 还原性的烧结气氛不仅可以提供保护以防止进一步的氧化 同时还可以消 除已存在的氧化物 常用的烧结气氛又六种 氢气 游离氨 惰性气体 氮气 真空和天然气 烧结温度下反应物与产品的平衡态分压是选择气氛的主要考虑因 素 氧气 氮气 二氧化碳和水蒸气的分压对于烧结性和烧结后的性质有着很大 的影响 游离氨是替代纯氢气的较为廉价的烧结气氛 氨分子会分解成氢气和氮气 氢气可提供还原性气氛而氮气为中性气体 该烧结气氛可用于多数材料 但有时 氮气会发生反应并形成氮化物 氮气烧结气氛的可用性取决于氮气是否与烧结材 料发生反应 少量的氢气或者乙醇加入到低湿度的氮气中可形成微还原性的气氛 真空烧结的使用逐渐广泛因为这是一种清洁可重复的且容易控制的烧结气氛 氧 分压的降低大大减少了氧化物的形成 同时 大多数的材料和加热元件都可用于 真空 纯氢气是最佳的还原性烧结气氛 但是湿度的增加会降低其还原的能力 同时对于铁基材料 这样的烧结气氛是脱碳的 1 7 l l j 东大学顾e 学化论文 2 2 毛细芯内传热传质 文献 1 9 2 1 2 8 5 9 6 4 对环路热管的建模与数值模拟进行了研究 在典型的 环路热管中 主 毛细芯通常只位于蒸发器 并负责产生驱动环路热管循环的驱 动力 蒸发器运行在最高效率对于环路热管是至关重要的 任何一点降低都会对 整个环路热管性能带来巨大的影响 本节将对蒸发器内毛细芯的传热传质进行理 论分析 以得出可以使蒸发器的效率达到最高的毛细芯的参数 本节将工质流体流经毛细芯的压力变化分为两个部分进行讨论 由多孔介质 d a r c y 定律所确定的流过毛细芯的压降以及毛细芯半月面所产生的压力升高 其 最大值 h a p 一m 似 流经多孔介质的d a r c y 压降关联式为 酬n 瓴脯2 硝 2 5 其中m 为质量流率 为粘度 r o 与r f 分别为毛细芯的外径与内径 k 为渗透 率 阳为毛细芯的长度 毛细芯半月面所引起的压力的升高