微型热管的研究状况

1、微型热管的研究状况摘要：微型热管被广泛用于冷却航天、航空、军用武器、车辆、计算机等众多领域的电子设备，是有效冷却高热流密度电子器件的主要途径之一，已成为现代热管技术重要的发展方向和研究热点。本文综述了近年来脉动热管、微型槽道热管、环路热管和微型振荡热管等不同类型微型热管的研究进展。最后，总结了微型热管的发展趋势和实际应用所面临的挑战。关键词：微型热管、脉动热管、微型槽道热管、环路热管、微型振荡热管引言微型热管是伴随着微电子技术的发展而发展起来的一门新兴技术。随着计算机芯片中电路数目的增加，其产生热量的散逸变得越来越困难。芯片上除最高温度的要求外，对温度的均匀性也有更高的要求，因而电子器件散热越

2、来越成为电子产品开发、研制中非常重要的技术，其散热性能的好坏直接影响到最终电子产品的成本、可靠性以及工作性能。微型热管作为一项很有前途的技术，正可用于电子器件以获得高的热量导出率以及温度的均匀化。1、微型热管简介Cotter于1984年在日本举行的第五届国际热管会议上提出微型热管的概念，其工作原理与普通热管相似，但是内部无吸液芯，通道截面非圆形并带有尖角，冷凝液主要依靠尖角处毛细作用的驱动回流到蒸发段。微型热管的通道截面水力半径明显小于普通热管，可与热管内工质的气液弯月面（界面）的曲率半径相当，一般为10500m，而热管长度则通常为几厘米。微型热管的结构，就经历了从重力型、具有毛细芯的单根热管

3、型到具有一束平行独立微槽道的平板热管型，再到内部槽道束通过蒸汽空间相互连通型等一系列变化，其目的就是要更好地为各种小面积、高热流密度元器件的散热提供更有效的手段。但是随着热管结构尺寸的减小，除毛细极限、沸腾极限等常规热管均具有的传热极限限制了微型热管的传热能力之外，微型热管还遇到了常规热管所没有的传热极限，比如蒸汽连续流动极限就限制了微型热管在低温状态下的工作等。图1 微型热管2、脉动热管脉动热管是日本的Akachi于20世纪90年代初提出的一种新型热管，由没有毛细吸液芯的金属毛细管弯曲成蛇形结构组成，可分为回路型和开路型两种，结构如图2所示。脉动热管结构简单，制造方便，成本低廉，性能卓越，已

4、应用于电力设备及微电子的冷却。图2脉动热管结构图许多学者对脉动热管进行了大量的实验研究。为研究脉动热管内部运动过程，Khandekar和Groll等学者进行了可视化实验。在热流密度增加时，实验者观察到气体上升通道可以转变成环状流，此时热阻更低，传热从以显热传热为主转化为以潜热传热为主。他们用单回路及5回路的玻璃对流型及液态的转换和对5回路、20回路的铜管进行了实验，研究了工质的种类及充灌率大小、热负荷大小、倾斜角度等对脉动热管运行性能的影响。同时，他们通过可视化实验研究了平板型脉动热管不同的横载面积对传热性能的影响，发现圆形截面脉动热管的性能优于方形截面。 有学者对加热方式及充灌率进行了研究。

5、Miyazaki等采用内径1mm、30 个弯头的铜管，R142b为工质，分别以底加热、水平加热和顶加热的方式研究回路型的传热特性。结果显示不同的加热方式对应不同的最佳充灌率，底加热时充灌率较宽，水平加热的最佳充灌率为45% 55%，顶加热时合适的充灌率限制在35% 左右。Gik 等采用2mm 内径、10 个弯头的Taflon 管，R142b为工质，热水加热冷水冷却的方式对比研究回路型和开路型结构，结论是这两种结构性能相差较大。以R142b 为工质，充灌率分别取40% 、60% 、80% 的脉动热管对笔记本CPU作冷却实验，发现60% 时传热性能最佳。 国内对脉动热管的研究开始于2001年。曲伟

6、、马同泽等在研究工质流动的过程中发现，当热流密度较小时脉动热管的工作流体将间歇流动，当热量增加时会改变成单向脉动流动。后来他们在实验中发现毛细管中液塞运动时，两端的前进和后退接触角不同，存在滞后现象，从而产生毛细滞后阻力。工质的流速受毛细管管径、加热段的热流密度、传递的功率大小等影响较大，受毛细管长度的影响较小。近期，曲伟与周岩通过实验研究了毛细管截面为正方形和正三角形，水力直径范围为1mm左右的回路型脉动热管的传热性能。结果表明，角管脉动热管的倾角变化时，底加热明显优于顶加热，三角形截面脉动热管的热阻比正方形截面脉动热管的热阻更低，脉动热管在水力直径为1. 5mm时比1mm时的性能更好。曹小

7、林等对脉动热管的结构进行改进，通过合理匹配各通道内的流动阻力， 实现工质在热管里的稳定单向流动，以改善加热段的供液情况，提高其传热性能，并指出这种改进型脉动热管存在最佳的充灌率( 50% )和最佳倾角(70b)，在这种最佳状态运行，热管的传热极限最高，在高热流密度下传热热阻最低。曹小林与王伟等通过建立部分可视化的环路型铜乙醇脉动热管试验台研究充液率，倾斜角度，环路数目等因素对脉动热管传热性能的影响。结果表明：不能形成脉动效应时工质的流型是间歇振动，形成脉动效应时工质的流型是弹状流或环状流；但环路数目较多时，热阻变化就比较平缓，同时在相同环路数目下热阻随加热功率的增加而减少。 国内外学者对脉动热

8、管的研究主要是通过实验观察运行的过程和现象，研究管径、工质、加热方式、充灌率等对其运行和传热的影响。由于实验数据不够，理论研究不完善，不能完全明确脉动热管的运行和传热的机理。因此，今后的研究中应完善脉动热管的数学理论模型，深入研究其运行规律，气液两相流动型式等与其本身的结构、运行条件等之间的关系，在实验中更多地测量各种因素对脉动热管性能的影响。3、微型槽道热管20世纪90年代初，美国德克萨斯A&M大学的A.K.Mallik等人和G.P.Peterson等人率先在硅片上集成制作了一系列平行布置的微型槽道热管。G.P.Peterson等人比较了两块分别集成有39个平行矩形微型槽道热管（宽度

9、和深度分别为45和80）和三角形微型槽道热管（底部宽度和深度分别为120和80）硅片（大小均为20mm×20mm）的温度分布和导热情况，所用工质为甲醇。与未集成微热管的硅片相比，发现在4W的加热功率下,以上两个分别集成有矩形和三角形截面微型热管硅片的最大温度分别下降了14.1和24.9，而硅片的有效导热系数则分别提高了31和81。B.Badran等人对集成有深度和底宽分别为100和260 平行微型槽道热管阵列的硅基开展了实验研究，发现在较高加热功率下硅基的有效导热系数仅提高了11，明显低于G.P.Peterson等人所报道的结果。S.Launay等人对集成有平行布置的微型槽道热管阵列

10、的硅片进行了传热性能实验研究，热管的深度和底宽分别为170和230，发现热管的充液率为066时，有效导热系数的提高也相当有限，他们认为硅片本身的高导热性能是导致上述结果的主要原因。通道当量直径尺寸较小情况下，微型槽道热管的毛细力对传热能力的影响比普通吸液芯热管更为重要，当加热功率超过一定范围、突破毛细极限时，容易造成热管蒸发段的干涸，使其传热能力显著下降。对于微型槽道热管，毛细极限偏低是制约其传热能力提高的主要因素，为此S.Kang等人设计了带有更多尖角的星形和菱形结构槽道微型热管。由于尖角数量的增加和微缝隙可以提供更强的毛细动力，使热管的传热能力得到明显增强，星形和菱形槽道微热管的最佳导热系

11、数可分别达到277.9和289.4W/（m·K）。M.L.Berre等人在硅基上设计制作了如图3所示的带冷凝液回流辅助通道的微型槽道热管，此结构可有效减少气液两相反向运动的摩擦阻力，对通道内的液相回流具有明显的辅助和促进作用，提高了回流速度。实验发现采用辅助通道后热管的有效导热系数最大可提高3倍，且能够承受更高的热负荷。虽然上述星形槽道或辅助回流通道对提高微型槽道热管的传热极限具有明显作用，但需采用多层硅键合技术，加工相对复杂，成本也较高。最近，W.Liu等人通过在相邻微型槽道热管之间添加尺寸更小的微槽道，有效改善了冷凝液由冷端向热端回流的效果，可使热管蒸发段承受更高的热负荷而不至“

12、烧干”，提高了工作温度范围。为了更好地研究微型槽道热管的温度分布和工质气液两相运动的变化情况，M.Lee等人通过微型热管微加工工艺将微加热和测温元件集成于微型槽道热管之上，系统地研究了其传热运行特性。硅基微型槽道热管因其工作原理简单、加工技术成熟，在实验和理论研究方面都得到了较快发展，特别是近10年来随着与之相关的微通道相变（蒸发沸腾和冷凝）换热研究的深入，该技术日臻完善，很可能作为微型冷却器率先得到推广应用。图3 带液相主流道的微型三角形槽道热管阵列截面示意图4、环路热管( LHP)环路热管最早由前苏联乌拉尔科技学院Gerasimov和Maydanik于1972年发明并申请专利。它利用蒸发器

13、内的毛细芯产生的毛细力驱动回路运行，利用工质的蒸发和冷凝，能在小温差、长距离的情况下传递大量的热量，是一种高效的两相传热装置，主要应用于空间技术热控制。其原理图如图4所示。目前微电子散热成为LHP一个新的应用领域, 成为LHP研究的热点。图4 环路热管原理图JentungKu介绍LHP的运行模式，分析了形成的机理。Donald Gluck 等对蒸发器、液体补偿器、冷凝器都处于冷环境，液体管和蒸汽管处于室温的LHP的启动特性进行了研究，发现LHP在这种冷环境下成功启动的几率很小，尤其对大输入功率，启动更为困难。Pastukhov等研制出一种微小型环路热管，散热量25 30W, 在空气对流冷却时，

14、系统热阻1. 7 4. 0e /W，总热阻最小可达0. 3 1. 2e /W，散热距离为250mm，该MLHP有L型和S型。L型LHP蒸发器直径为5 6mm，在有效传输长度200 240mm条件下散热能力达到80W，最小热阻为0. 3 0. 5e /W。Tasi等研制了一种小型平板环路热管，由蒸发器、冷凝器和输送管三部分组成，采用传统加工工艺在蒸发器加工微沟槽，采用纯水、甲醇、HCFC1416三种不同工质作对比实验。结果表明，使用工质HCFC时的散热量达50W，温度低于85e 。Maydanik等研制出一种重量只有1020g以水为工质的微小型环路热管，传热距离300mm，温度为50 100e

15、时散热量达100 200W，热阻在0. 1 0. 2e /W。国内许多学者对环路热管的性能进行了研究。苗建印等对LHP内工质的流动压力降进行了分析和计算，对毛细芯所能提供的最大蒸发传热能力进行了预测，并结合实验研究结果综合分析了毛细芯结构对LHP性能的影响。向艳超等分析了液体在LHP蒸发器毛细芯的两种蒸发状态（表面蒸发和汽膜蒸发状态），对液体在LHP蒸发器毛细芯中的传热流动特性进行了一维数值计算，讨论了毛细芯的壁厚，毛细芯的导热系数不清，进口液体的过冷度等因素对毛细芯传热流动特性的影响。张红星等通过实验研究了蒸发器内气液分布、反重力工作高度、启动热载荷的大小、热沉温度等因素对启动的影响，并分析

16、了4种不同蒸发器内气液分布情况下的启动现象，给出系统温度变化的曲线图，分析了启动的难易程度，观察到反重力启动时呈现两种启动方式的特别现象，对LHP温度波动现象进行了描述和解释，并提出冷凝器出口处的温度波动现象产生的原因是工质充装量和储液器容量不匹配，可以通过对工质充装量的控制来避免。莫冬传等通过实验讨论了平板式回路热管在三种不同情况下启动的温度分布，发现LHP在平放且内部的汽液分布与正常运行时相同的情况下最容易启动，指出LHP随加热功率增大出现了三次温度相对稳定与振荡的交替，并讨论了在相对稳定运行时的传热特性。环路热管作为一种采用两相流技术的新型传热装置, 经过近30多年的发展， 技术已趋于成

17、熟。今后的研究方向应为低温化及小型带有平板蒸发器的LHP。这种微型热管在集热板上等温性和传热性能好，重量轻。由于蒸发器的集热板是平面的，与仪器设备间的装配方便，多蒸发器的LHP也是一种发展方向。5、微型振荡热管振荡热管结构简单，同样具有微型热管微型化和集成化的潜力，但其内部工质振荡运动所受阻力较其他微型热管更大，致使长期以来学术界对其通道尺寸微型化后能否启动并实现工质的有效振荡运行存在疑虑。虽然M.Sugimoto等人在硅基上制作了一种称之为返流模式的振荡流动热管，但因其通道内工质的往复振荡运动是通过集成于底部的两个往复式压电泵驱动来实现的，并非单纯由热驱动引起的被动式振荡传热，因此严格意义上

18、不能称之为热管。Y.Lin等人利用制作了一个PDMS振荡热管，虽然该热管的整体尺寸较小，但通道水力直径超过1mm，属普通小型振荡热管，尚无法归入微型热管范畴。最近，JQ.u等人利用湿刻工艺制作了如图5所示的通道截面为梯形、当量直径分别为352和394 的微型硅基振荡热管，并对其开展了可视化实验研究，观察到泡状流、塞状流、环状半环状流、波环状流和喷射流等，证明振荡热管通道尺寸微型化后仍可快速启动并实现内部工质的有效振荡运行，基本掌握了其相变流动行为特性。同时，JQ.u等人通过实验研究发现，微型振荡热管能否启动并正常运行与工质种类密切相关，所选工质必须满足饱和温度下压力较高的条件；与未充注工质时相

19、比，充注适当工质并正常运行的微型振荡热管可显著提高硅基的整体传热能力。此外，还发现了一些不同于常规振荡热管的现象和规律，如硅基微型振荡热管通道尺寸小至一定程度后蒸发段将难以形成核态沸腾和工质在热管内的自循环运动，但仍能持续振荡运行，由此说明常规振荡热管内维持工质振荡运动的气泡生成、长大、膨胀、缩小乃至湮灭模式并不适用于微型振荡热管。这些特殊现象的出现，表明微型振荡热管内工质的相变热力行为极为复杂，有待深入研究。图5 硅基微型振荡热管6、微型热管研究所面临的困难和挑战理论和实验研究结果均表明微型热管具有非常好的传热性能，是冷却微小型电子器件的理想装置。但是，随着近年来微电子技术的不断深入发展，热

20、流密度的增加，对散热性能的要求越来越高。微型热管的研究和应用还面临着许多的挑战： 微小型热管受到连续极限等的限制外, 还面临常规热管的工作极限。 热管的内部结构还需进一步的优化。 微小型热管的理论模型好多还停留在一维模型上，并早有很多的经验公式。 对热管温度分布的理论分析还很缺乏，为了精确的描述温度分布，还需建立复杂的三维模型。 加工制作过程中对微型热管的尺寸、形状、工质的充装量等的精确控制还面临很大困难。 一些细微结构的加工费用比较昂贵。 热管结构的可靠性以及热管性能能否长时间地保持还有待研究。7、微型热管发展趋势微型热管的发展趋势将为：更大的传热能力，更小的尺寸，更广的应用范围，更高的有效

21、性和可靠性。具体而言，通过开展对微型热管工作机制的深入研究，加深对微型热管中两相流、传热传质机制的认识，构建不同结构形状的微型热管传热能力的计算模型，掌握各种参数对微型热管传热极限的影响，以此指导并开发出新型高效结构形式的微型热管，以满足更广的应用范围要求。可以预计，不久的将来，微型热管不仅在电子设备冷却上，而且会在空间技术和生物医学等众多领域发挥更大、更深远的作用。参考文献：1 Khandekar S, Charoensawan P, GrollM, et al. Closed Loop Pulsating H eat Pipes Part B: Visualization and Semi

22、- empir2icalMode ling J . Applied Thermal Engineering , 2003, 23( 16): 2 02122 033.2 Khandekar S, Dollinger N, Groll M. Understanding operational Regimes of Pulsating Heat Pipes: An Experimental Study J. Applied Thermal Engineering, 2003, 23( 6): 7072719.3 Miyazaki Y, Akachi H. Heat Transfer charact

23、eristics of Looped Capillary Heat Pipe Z. 5th International Heat Pipe Sympo2sium. Melbourne, Australia, 1996.4 Miyazaki Y. Oscillatory Flow in the Oscillating Heat Pipe Z . 11h International Heat Pipe Conference, Tokyo, 1999.5 GiK. Flow Visualization Experiment on Oscillating Capillary Heat PipeZ. 1

24、1h International Heat Pipe Conference, To2kyo, 1999.6 Peterson G P, Duncan A B, Weic hold M H . Experimental Investigation of Micro Heat Pipes Fabricated in SiliconWa2fers J. Journal of Heat Transfer, 1993, 115: 7512756.7 Cao Y, Cao M, Beam J E, et al. Experiments and Ana lyses of Flat Miniature Hea

25、t Pipes J. AIAA J. Thermophysics and Heat Transfer, 1997, 11( 2) : 1582164.8 Hopkins R, Faghri A, krustalev D. Flat Miniature Heat Pipes with Micro Capillary Grooves J. ASMWD. Heat Transfer, 1999, 121: 1022109.9 Huang X Y, Liu C Y. The Pressure and Velocity Fields in the Wick Structure of a Localize

26、d Heated float Heat Pipe J. In the Heat Transfer, 2002, 309( 6): 1 32521 349.10 Ku J. Operating Characteristics of Loop Heat Pipes Z.SEA Paper No 1999- 01- 2007.11 Donald Gluck. Charlotte Gerhart and Scott Stanley Z .Startup of a Loop H eat Pipe with Initially Gold E vapora2tor, Compensation Chamber

27、 and Condenser, In 11th HPC Tokyo, 1999.12 SOHAN C; GARTNELLA S V; UNNIKRISHNAN V V A Computation Mode for the Transient Analysis of Flat Heat Pipes 2000.13 VAFAI K; WANG W Analysis of flow and heat transfer of an asymmetrical flat plate heat pipe 1992(09)14 Michael Nikitkin Evgenyi Kotlyarov and Ge

28、nndyi Serov. asics of Loop Heat Pipe Temperature Contro1 1999.15 GAUGLER R.S Heat transfer device 1944.16 Gielen DRenewable energy technologies：cost analysis series：concentrating solar powerRInternational Renewable Energy Agency Working Paper，201217 M611enhoff M，Werner M，Sohr O.A new approach for lifetime extension of parabolic trough receivers CSolarPACE$20 1 118 Falchetta M，Liberati G,Consoli DCommissi0ning of the Archimede 5MW molten salt parabolic trough solar plant CSolarPACES