微型回路式热管之研制-

1、第九届全国热管会议 2004年3月论文编号:HP0446微型回路式热管之研制Fabrication of Micro Loop Heat Pipes康尚文1侯东甫2许钦淳11. 3. 淡江大学机械与机电工程学系 台湾省台北县淡水镇英专路151号 251Tel:886-2-26215656#2613Fax:886-2-262097452.台曜电子股份有限公司 台湾省新竹县芎林乡华龙村6邻176-5号Fax:886-2-22823878摘要:本研究制作尺寸为60mm×33mm×0.8mm的微型回路式热管(Micro Loop Heat Pipes - MLHP,其内部由蒸发区、

2、汽相流道、冷凝区以及两条液相流道所组成。毛细结构利用体型蚀刻出平行的V型沟槽,其水力直径分别为47m、67m以及83m。MLHP 的结构是将玻璃键合于硅基材上,利用透明的覆盖层以便于二相流的视流观察。采用纯水以及甲醇作为工作流体。测试结果显示当蒸发区面积为1cm2以及冷凝温度为17时,纯水的加热功率范围(3.3W 12.96 W比甲醇(1.2W 5.85W较广。最佳热阻值为0.106/W,比无充填工作流体时高约64倍。当微流道沟槽的尺寸愈小时愈能增加毛细力,同时也能增强热传效能。观察显示非凝结性气体的存在可能会影响MLHP的可靠度以及大幅降低其性能。关键词:二相流,不可压缩气体,热阻1. 介绍

3、回路式热管是由Yu. F. Maidanik 与他的同事在1980年代旧苏联时期一起提出,由于LHP比一般热管更多的优点,因此也被NASA的JPL实验室所应用。1994年David A. Wolf 认为回路式热管结合了传统热管与毛细泵回路的优点,可弥补前两者应用上的限制1。直到2002年NASA与美国辛辛那提大学合作发展利用MEMS的技术制作微型回路式热管(micro-LHP,并模拟在稳态下改变各种散热温度的条件,藉以分析加热功率与micro-LHP康尚文 侯东甫 许钦淳:微型回路式热管之研制饱和温度等关系变化2。近年台大与俄国的Maidanik 研究群合作,也投入LHP 的研究3。本研究利用

4、既有的MEMS 制程技术,研制微型回路式热管(Micro Loop Heat Pipe - MLHP,测试其性能以及观察相关现象的产生,并尝试修改回路架构,使整体系统更适用于微小化的结构,以及符合现有散热需求的考量。2. 回路式热管作动原理2.1 LHP 启动行为以相变化为热传机制的组件,就有所谓的启动行为(start-up,也就是热源的温度须达到操作温度的范围,LHP 才会开始作动。此时管内的饱和压力会增加,形成一股驱动力使蒸汽由蒸发区流向凝结区,其压降关系如下列公式(2.171(/=P P P T Td dP w cap wick T(2.1此压降关系就是所谓的Clausius -Clap

5、eyron 关系式。从公式2.1可知,当操作温度愈高,所产生的饱和压降也就愈大,因此愈容易作动。2.2 MLHP 压力降关系由于LHP 整个系统没有可动原件,完全靠毛细力来作动,其中cap P 为毛细压差是整个系统最主要的驱动力,Peterson4整理出三角形毛细微流道的毛细压差为wP cap cos 2= (2.2管路传输的压降损失可分为主要损失(Major losses与次要损失(Minor losses ,如果MLHP 系统不是水平放置,则需考虑受重力所影响的压差g P 。2.3 LHP 补偿室过冷度LHP 补偿室主要功能是迅速补充工作流体在蒸发区内被热源蒸发后减少的量,否则会导致蒸发区

6、产生烧干(dry-out的现象。然而补偿室与蒸发区太接近,若中间相隔的绝热不佳,会导致作用在蒸发区的热源有部分的热量会经由毛细结构回传至补偿室,进而减少了蒸发区形成蒸汽流至凝结区的热量,称为热泄漏(heat-leak。热泄漏所产生的热量过多,将使冷康尚文侯东甫许钦淳:微型回路式热管之研制凝回流的工作流体被加热,甚至形成蒸汽阻碍凝结区回流的工作流体顺利进入蒸发区,如此整个系统将失去运作机制。3. 微型回路式热管制程与封装3.1 MLHP微结构制程采用100的硅芯片,利用微机电制程技术制作V型沟槽的毛细微流道MLHP,作出蒸发区、汽相流道、液相流道、冷凝区、补偿室等组件于同一片晶圆上。再利用阳极键

7、合将硅芯片与7740玻璃接合。如此便可观察整体系统的运作机制,有利于理论的分析以及最佳化的设计,如图3.1所示,结合封装后如图3.2所示。1.Expose2.Develop4.KOH etching5.Anodicbonding MaskUV lightPhotoresist(100 Silicon wafer7740 glass 3.BOE etching 图3.1 MLHP制作流程示意图 图3. 2 接合完成之MLHP(60mm×33mm×0.8mm 3.2 MLHP脱气充填工作流体康尚文 侯东甫 许钦淳:微型回路式热管之研制由于非凝结性气体对于液体在微流道中流动的影响

8、甚巨,所以利用真空帮浦抽气配合加热驱除法将MLHP 腔体内的非凝结性气体(空气等无法在常温冷凝的气体排出,如图3.3所示。 图3.3 真空帮浦抽气配合加热驱除法3.3 工作流体充填量工作流体在MLHP 内受热后,会有部分液体转变成汽体,所以MLHP 内部为汽液分布的状态,因此依照Maidanik5的归纳,其LHP 内部的充填量有一关系式如下:cch cc ll w wf V V V V V += (3.1也就是工作流体的充填量,应等于毛细结构的空隙wf V w V 、液相流道、补偿室与补偿室核心部分所占的体积,其中ll V cc V cch V 指毛细结构的孔隙度。4. 实验架构如图4.1所示

9、,在热源部分利用陶瓷加热片(10mm×10mm当热源,在加热片背面覆盖隔热软木垫,以防止热量散失,同时在陶瓷加热片与MLHP 之间涂布导热膏,以防空气在中间形成接触热阻。冷却器部分:利用铜制的六角形接头二个当作冷却管路(8mm×18mm,管内通冷却纯水约17。康尚文侯东甫许钦淳:微型回路式热管之研制 图4.1 测试平台示意图4.1 MLHP性能测试针对不同的毛细结构与不同的工作流体来作试验,如表一所示。量测各点温度以及蒸发区到冷凝区之间的热阻(指汽相流道前后两端,其距离为40mm长,示意图如图4.2所示。表一毛细结构与工作流体列表蒸发区毛细微流道线宽160m 130m 90

10、m水力直径(D h 83m 67m 47m微流道数33 42 83工作流体 D.I. water Methanol D.I. water Methanol (Tevap right-ch6Compensation left(Tcom right-ch8Temperature measuring point(图4.2 MLHP温度量测点示意图5. 结果与讨论:康尚文侯东甫许钦淳:微型回路式热管之研制由图5.1得知,当毛细微流道的水力直径为67m,充填纯水为工作流体时,加热功率从2.7W增加到3.3W时,可看出温度Tvap(start在二十几秒有明显的下降趋势,约十秒后就达到稳定的状态,表示MLH

11、P开始启动(start-up。 图5.1温度-时间瞬时图5.1 毛细结构与工作流体之性能分析不同水力直径的毛细微流道,对整体传输效能有所差异,本研究采固定充填量来作分析。因此,影响其效能最大是毛细微流道的数量。以下为两种MLHP的性能分析:1.毛细微流道之水力直径:47m,工作流体:D.I. water。从图5.2观察,当功率提升至3.3W时系统开始作动,且在7.812.92W时因热阻很小,所以有较佳的热传效率,且蒸发区的温度不超过80,功率提升超过12.92W时,整个MLHP的作动机制就会开始失效。 图5.2温度与功率稳态图2.毛细微流道之水力直径:47m,工作流体:甲醇。图5.3甲醇在1.

12、20W开始作动,康尚文侯东甫许钦淳:微型回路式热管之研制在2.165.85W之间汽相流道两端的温差最小,所以热阻也愈小,当功率超过5.85W后失效。 图5.3温度与功率稳态图5.2热阻分析比较本实验所探讨的热阻是针对经由蒸发区汽化的蒸汽流经汽相流道的前端与最末端之间的热阻,实验结果如下所述。从图5.4可看出当MLHP内部无充填工作流体时,其汽相流道两端间的热阻(距离40mm 长,约在47/W之间,当充填甲醇后,内部机制开始运作时,热阻就可以降至2/W 以下。从图5.4可观察出D h=67m在功率介于1.614.07W间有较低的热阻,最佳的热阻发生在功率为2.16W时,其热阻值为0.568/W,

13、当D h=47m在功率介于2.165.85W间有较低的热阻,最佳的热阻发生在功率为3.4W时,其热阻值为0.787/W。 图5.4热阻与加热功率之稳态关系图康尚文 侯东甫 许钦淳:微型回路式热管之研制由上所述可知,当毛细结构的尺寸愈小其热阻能在较大的功率下仍能保持较小的值,而且产生效果的作动区间也较大。从图5.5可观察出当工作流体为D.I. water 时,其热阻的效能趋势比甲醇更好,当D h =83m 在功率介于8.811.34W 间有较低的热阻,最佳的热阻发生在功率为10.03W 时,其热阻值为0.575/W ,当D h =47m 在功率介于4.814.2W 间有较低的热阻,最佳的热阻发生

14、在功率为10.03W 时,其热阻值为0.106/W 。 图5.5 充填D.I water 时热阻与加热功率之稳态由以上分析,当工作流体为D.I. water 时,其效能更优于甲醇,尤其是当充填D.I. water ,D h =47m 时有着最佳的热阻值,而且可作动的功率范围也较甲醇宽广。虽然甲醇能在低功率时就开始作动,不过因为其流体密度与潜热(= 1085 kJ/kg, at 70小于纯水(= 2309 kJ/kg, at 80,因此甲醇整体热含量(heat capacity较低便不足以提供较高功率时所需求的高热传输量。fg h fg h6. 结论本研究主要在探讨回路式热管微小化并制作于同一平

15、面上的可行性,由于国内外并没有多少相关研究,因此本研究一刚开始最大的挑战就是如何设计MLHP 的结构外型。最后经试验,发现制作MLHP 于同一平面仍是可行的,但由于整片芯片会快速导热,因此必须将MLHP 部分地方利用双面蚀刻蚀穿,并作绝热处理,同时因为所制作的MLHP 其毛细结构采用微流道方式设计,而微流道本身材质是硅质结构,所以热传导率很好,因此会产生过多的热泄漏于补偿室里,因此更改传统设计理念,将冷却器直接置于补偿室下作康尚文侯东甫许钦淳:微型回路式热管之研制冷却,并将汽相流道与液相流道直接连接,如此一来,补偿室内的液体就能保持一定的过冷度,使整个系统能够作动。参考文献1. David A

16、. Wolf et al, Loop Heat Pipe - Their Performance and Potential, Dynatherm Corporation Inc, SAE Technical Paper No.941575, 1994.2. Jake Kim and Eric Golliher, steady State Model of a Micro Loop Heat Pipe ,8th IEEE SEMI-THERM Symposium, pp.137144 2002.3. 陈泰宇,回路式热管制造与性能测试, 硕士论文,国立台湾大学机械工程学研究所,2001.4. G

17、. P. Peterson , AN INTRODUCTION TO HEAT PIPES, A Wiley- Interscience Publicaton, Canada, pp.48, 1994.5. Yu. F. maidanik , LOOP HEAT PIPES TECHNOLOGY,2000年太阳能科技与产业发展研讨会,2000. 微型回路式热管之研制作者:康尚文, 侯东甫, 许钦淳作者单位:康尚文,许钦淳(淡江大学机械与机电工程学系 台湾省台北县淡水镇英专路151号 251, 侯东甫(台曜电子股份有限公司 台湾省新竹县芎林乡华龙村6邻176-5号本文读者也读过(10条1.曲伟.

18、马同泽微型热管的最大传热能力分析会议论文-20002.李时娟.曲伟微型平板热管传热能力的研究会议论文-20083.黄新民.刘一兵.刘国华.HUANG Xin-min.LIU Yi-bing.LIU Guo-hua常用微型热管的特性比较期刊论文-重庆科技学院学报(自然科学版2008,10(54.肖宏志.刘一兵.Xiao Hongzhi.Liu Yibing微型热管传热极限的研究期刊论文-低温与超导2010,38(55.苗建印.李亭寒.杨沪宁.李盛林.吕巍.米珉.江海.傅伟纯.范含林微小型热管的研制及应用会议论文-20066.蒋朝勇.夏侯国伟.JIANG Chao-yong.XIAHOU Guo-wei新型微型平板热管的传热性能期刊论文-长沙理工大学学报(自然科学版 2009,6(17.刘建华.陈景锋