热管以实现温度均匀化初探

聂呈呈

(山东省环能设计院股份有限公司,山东 济南 250100)

在最近的十年中,与诸如空气冷却和水冷却之类的其他冷却方法相比,热管因其可相变,结构简单,稳定可靠,成本相对较低而被称为热“超导体”,吸引了人们的关注。热管作为两相传热设备,它们具有低传热温差,高传热性能,小尺寸和出色的温度一致性的优点,并且热管的机制和工作原理简单,不需要机械维护,提供了非常有前途的解决方案。

各种尺寸或形状的热管的特殊性能使其可以用于各种应用,如有关热管研究和开发的一些文献综述所介绍的[1-2],例如Lips等人[3]根据液体向蒸发器的回流是重力还是毛细管辅助,对热管的类型进行分类。还描述了其他热管,例如旋转和脉动热管,不同类型的热管的多样性反映了使用它们的应用的多样性。热管的主要功能是在热源和冷源之间传递具有低温差的高热通量。但是,通过选择特定类型的热管也可以使用其他功能。因此,热管可用于热通量散布,热控制,热敏二极管或温度均匀化。显然,这些功能中的几个功能可以在同一系统中组合。下面将对每个功能进行简短描述。

蒸气室是毛细管驱动的平面热管,具有长宽比小。如果冷凝器在蒸发器上方,则不需要管芯。脉动热管(PHP)由长的毛细管构成,该毛细管可以弯曲许多圈,成环或不成环。由于毛细作用,流体分布在管内的蒸汽塞和液塞中,液态团块的蒸发或沸腾会引起整个管中流体的强烈振荡,热量通过潜热和显热从热源转移到冷段。

热管也可以用于特殊应用中,以允许单个方向的热传递,例如热敏二极管。大多数应用,如永久冻土的保存[4],都是基于使用热虹吸管,无多孔结构的热管。在这里,液体只能靠重力返回。当蒸发器在冷凝器上方时,不可能进行热传递。VCHP也可以用作热敏开关。仅通过存在NCG即可实现无源调节。在低温下,它们充满了较大的体积,从而降低了热管的传导性。相反,在高温NGC在冷凝器的末端被压缩,从而增加了其电导率。这样,在暂时的非耗散期间,当设备的温度过低时,可以通过与散热器隔离来保持其完整性[5]。

主要针对两种热管的主要应用进行了总结,分为圆柱形热管和扁平热管/蒸汽室。圆柱形热管主要应用大体积的电力电子器件,而对于一些体积空间较小的器件,则使用扁平热管进行散热。

1 圆柱形热管

圆柱形热管是一种相变再循环系统,用作热管散热器中热源与散热片之间的互连基础。与传统的铜或铝基材相比,通过提供重量和体积要少得多的高导热率,热管可以减少更多的空气流通障碍,从而增强自然对流。随着热管的加入,翅片的面积大大减少。Ye等[6]设计了一个带有热管和平行垂直散热片的散热器,以控制70 ℃下80 W LED的外壳温度。Sharifi等[7]开发了热管翅片阵列系统的热阻模型,并证明了从热管冷凝段到周围空气的热传递极大地限制了系统的散热性能。关于热管翅片阵列系统应用的其他一些研究也表明,系统级极限热阻与热管冷凝器或蒸发器部分外部的单相流体流动有关。当冷凝段通过自然空气对流冷却时,较大的外部热阻通常位于热管的冷凝器端。

1.1 圆柱形翅片热管

圆柱形热管通常不单一使用,而是结合翅片增强散热。Wang[8]通过实验研究了带有嵌入式L形热管和用于电子冷却应用的板翅片的散热器。结果表明,带有六个热管的散热器的功率为160 W,最小热阻为0.22 ℃/W。计算流体动力学仿真用于获得CPU冷却散热器的正确设计条件。Xiahou[9]等设计了一种用于IGBT散热的新型阵列式冷凝器平热管散热器,冷凝管构成阵列的冷端并焊接在蒸发器的上表面,阵列的冷端在空间上与空心腔的热端整体相连。新型热管消除了基板与热管之间的接触热阻,温度均匀性提高,工作流体可以相互调节和补充,有利于显著提高传热效率。各种研究证明,减小接触热阻可以增强散热效果。

传统的热管翅片散热器,经过优化散热效果更好。Huang[10]等提出一种新型的对称且高度连续变化的翅片阵列,通过减小流阻来改善自然对流换热。通过三维数值计算,比较不同高度可变翅片阵列的热管散热器的传热性能。研究表明,增加散热片间距(s)和最大散热片高度差(p)可以大大降低单位功率的材料成本Mtot,但对总热阻Rtot影响更复杂。并且基于响应面法,以最小Rtot和Mtot为目标,进行了参数研究和多目标优化分析。Liang[11]等研究了带翅片U型热管的散热器的热性能,用于中央处理器(CPU)的冷却。作者据散热器的热阻进行分析,确定了最佳的工作热负荷范围。通过使用贝塞尔(Bessel)的修正方程以及通过实验研究获得的结果,估算了散热片与周围空气之间的对流传热系数。通过评估热阻函数的最小值对散热器进行优化来确定U形热管的优化L比(蒸发器段长度与冷凝器段长度之比)。发现U形热管的最佳L比率取决于其他几何参数,例如热管直径和散热片间距,这对于散热器的最佳设计具有实际工程意义。

1.2 振荡热管(OHP)

此外,振荡热管(OHP)是一种高效的被动冷却装置,具有出色的处理高热通量的能力,同时在功率器件冷却和能量收集中保持较低的热阻,被证明是大功率LED一种潜在的散热解决方案。

一些研究者对振荡热管的热性能进行了分析。Wang[12]等设计并开发了一种在平板蒸发器内部带有烧结铜颗粒(SCP)的三维管状平板振荡式热导管(OHP),用于大功率LED芯片的热管理。实验研究了SCPs,倾斜角和填充率对OHP散热器在不同热功率输入下的启动性能和传热性能的影响。评估了不同倾角和填充率的LED芯片的温度分布和照度变化。Lyu等人[13]研究了OHP的重力和工作流体对LED封装的传热性能的影响。他们发现水-OHP的性能优于甲醇-OHP,其最低热阻为0.06 ℃/ W,并且重力可以促进OHP启动,并增强用于冷却100 W LED的热传输的稳定性。Lin等[14]在LED散热器上使用铝板OHP来研究加热模式的方向,冷却条件和OHP的内部结构对64 W LED散热的热性能的影响。热试验表明,重力和冷却温度极大地影响了板式OHP的热性能,当将板式OHP应用于LED散热器时,可以显着降低LED芯片的结温。Li等[15]进行了基于平板OHP冷却100 W LED芯片的实验研究。实验结果表明,带有自然对流翅片的平板OHP可以有效降低大功率LED的温度。以上工作初步证明了OHP在大功率LED冷却中的可行性。

1.3 外部环形热管

环形毛细管热管通常是封闭的容器,由容器的外壁和较大的同轴管组成。为了确保良好的机械强度和热管的高毛细泵送力,通常将环形段分成几个蒸汽通道,这些蒸汽通道由筛网滤芯隔开。

Parent[16]等人的不锈钢/钠热管(内径2 cm,外径4.1 cm)将3 m长反应堆的最大纵向温度梯度降低至0.01 K/mm,而传统冷却方式为0.06 K/mm。Choi[17]等人的不锈钢/萘热管提供了炉子的纵向和圆周温度平坦化,其外径为159 mm,长度为200 mm。为了确保由每个纳米颗粒的铜制成的烧结多孔片的设计,该技术需要恒温条件,以避免最终产品的机械变形。尽管加热不均匀,但温度梯度估计为0.02 K/mm,仅提供给炉子的下部。实验结果突显了非常好的温度稳定性,约为200 ℃或300 ℃。

圆柱形热管轴向导热性很强,热阻小,适用于散热器功率大、散热空间充足的电力电子器件。但是圆柱形热管径向散热并无太大的改善,不适用于散热空间较小的电子元器件,具有局限性。因此,需要扁平热管来实现小型电子器件的散热。

2 扁平热管/蒸汽室

在过去的十年中,已经有许多研究人士对许多小型原型进行了广泛的研究,表明可以获得与金刚石基板相当的散热性能。这些研究表明,热管是解决未来热管理挑战的有前途的候选人。近年来,由于其低耐热性和适应性强,被称为蒸气室(VC)的平板型热管[18]已被用作高性能计算机的高级散热装置。平板型热管广泛用于局部散热中,在一些小型电力电子设备中,往往由于有限的热源和散热区,很难有效利用传统的圆柱形热管增强散热。蒸气室是类似于热管的密闭容器,利用相变来增强散热效果,这引起了人们对电子行业的兴趣。对于典型的散热器应用,越来越多的研究人员采用蒸气室作为将电子部件产生的热量散布到散热器底部的方法。

2.1 蒸汽室集成

一些研究人士将蒸汽室集成在DBC与散热器之间,用于替代金属基板增强散热。Zhang[19]等对集成的电力电子模块进行了研究,将蒸汽室(VC)取代金属基板集成于DBC与散热器之间,消除了模块与散热器连接的接触热阻,与传统金属散热片相比,VC将集中的热源大大扩散到更大的冷凝区域,同时重量轻,几何柔性好和较大的冷却面积,大大增强了IGBT模块的散热效果。Chen等[20]开发了一种新型的散热管理系统用于IGBT电源模块冷却。将模块与基于蒸气室的散热器集成在一起,以降低热阻并显著提高温度均匀性。与传统散热器相比较,芯片结温、芯片内温差、最大热应力都有所降低,提高IGBT模块的工作性能。

另外,Wang等人[21]在30 W大功率LED上使用了一个带有折叠翅片的蒸气室,实验结果表明,在大功率LED热管理中,蒸气室的有效导热系数比铜和铝散热器的导热系数高得多。Luo等人[22]使用电铸技术制造了用于大功率LED的硅基铜槽微蒸气室。结果发现,厚度为0.5 mm的微芯结构对冷却高功率LED封装的蒸气室的热性能产生了重大影响。Wang[23]比较了三种类型的分别具有蒸气室,铜和铝的LED基板的热性能。研究结果表明,LED蒸气室基板具有5 W以上的最佳热性能,其热阻为0.38 ℃/W。还揭示出,6W LED蒸气室基板的照度比铝基板的照度大5%。Tang等人[24]开发了一种带有蒸气室的集成散热片,该散热片具有用于LED的平行,正交的微沟槽。实验结果表明,LED封装与蒸气室散热器的结温比对流散热器低,蒸气室散热器系统的热阻为0.83 ℃/W,比对流散热器低16.5%。Huang等[25]研究了用于大功率LED的蒸气室的热性能,他们发现蒸气室可以有效地降低扩散阻力并减小热点效应,表现出优异的散热性能。除了传统的热管和蒸气室以外,还需要一些基于新型热管技术的针对大功率LED封装或产品的新热管理方法,以满足高热通量要求LED芯片的快速发展。

其他几项研究和专利比较了在较大表面上使用蒸气室代替金属板的情况。例如,Sun等人[26]申请了专利的高效铝/丙酮蒸气室。将263 cm2铝表面上的17 cm2中心源加热可将温度差降低8 K。这相当于温度梯度从平板的0.06 K/mm降低到蒸气室的0.01 K/mm。Wang等人[27]测量出平均温度降低了10 K。适用于16个LED芯片封装,面积为64 cm2,配备有铜/水蒸气室,与铝基板相比。红外可视化清楚地显示了标准基板铝背面上每个芯片上都存在热点,而蒸气室基板则发生了快速的温度均匀化。最后,由Bou-khanouf等人[28]对类似的蒸气室进行了实验研究。通过将热量散布到500 cm2的散热器上,证明了这种系统使50 cm2的热源温度均匀的效率。热铜表面的红外图像突出显示出平面内温度梯度从固态铜板的0.32 K/mm降低到蒸汽室蒸发器的0.08 K/mm,并降低了超过10 K的热源最高温度。

2.2 温度均匀性

其次,扁平热管具有很好的温度均匀性,防止出现局部温度过高而导致器件损坏的现象。Fan等人的著作[29]强调指出,蒸气室比通过环氧树脂或铝板具有散热孔的系统更有效,以散热并均匀化2.7 cm2PCB的温度。计算流体动力学结果证明,蒸气室将带通孔设计和平板散热器的平面内温度梯度分别从0.9 K/mm和0.4 K/mm降低到PCB的0.1 K/mm。从而改善了PCB与散热器之间的轴向导热:温度梯度为2.2 K/mm,铝制极板的温度梯度为4.2 K/mm,带通孔的系统的温度梯度为15.6 K/mm。

2.3 蒸汽室缺点

蒸气室的最坏缺点是重力对其运行的负面影响。在水平位置,如果芯子的毛细管抽吸足够,则流体实际上在平面内均匀地分布。在垂直位置,如果热源位于蒸气室的中心,则蒸气流分为重力辅助向上流动和重力反向向下流动。这种现象可能涉及垂直蒸气室顶部和底部之间的温度梯度差异,但是薄的蒸气室(例如:电子设备散热器)的温度均匀性良好。Tsai等[30]研究人员在各种倾角下研究了内部厚度为2 mm的81 cm2铜/水蒸气室。测量水平位置(蒸发器在下方和蒸发器在上方)得到了相同的温度梯度,在垂直和水平位置之间记录了温度梯度的最大差值(约为0.04 K/mm),结果显示,测试的倾斜度对温度均匀化的影响不明显。

蒸气室的另一个可能的缺点是发生泄漏。实际上,由于采用扁平设计,蒸气室无法承受圆柱几何形状的工作压力,增加了泄漏的风险和大部分流体装料的损失。这种现象极大地降低了热管的效率。有缺点的蒸汽室的散热效率不如固态金属板的散热效率。例如,由Sun等人[31]测试的中空铝板在与上述相同的条件下,可保持0.12 K/mm的温度梯度,是普通板的梯度的两倍。

3 热管不同工作流体

影响热管热性能的因素有很多,在这种情况下,可以在热管中选择一种可以传递最大热能的合适的工作流体。

合适的工作流体可以增强热管的热性能。S. K. Sahu等[32]研究了一种以相变材料(PCM)作为储能材料(ESM)进行电子冷却的纳米流体(MCNT /水)带电热管的热性能。由于增强了纳米流体的传热特性,一些研究人员将纳米流体应用于管状热管中以提高传热性能。Yousefi等[33]通过使用Al2O3-水纳米流体带电热管研究了CPU冷却器的性能。结果表明,在10 W和25 W的热负荷下,热阻分别降低了15%和22%。Jahani等[34]报道了微脉冲热管(MPHP)的热性能。实验结果表明,水的最佳充电率为40%,而纳米流体的最佳充电率为60%。相对于带水的MPHP,带纳米流体的MPHP具有较低的热阻。

4 结论及展望

电子元件可以散发高热通量密度。热管可以将热量传递到远处,被广泛用作散热器。热管作为两相传热设备,它们具有低传热温差、高传热性能、小尺寸和出色的温度一致性的优点。并且热管的机制和工作原理简单,不需要机械维护,提供了非常有前途的解决方案。另外,许多研究者对影响热管热性能的工作流体进行分析研究,通常包括纳米流体悬浮液、氧化铁-水悬浮液和去离子(DI)水等。对于蒸汽室的研究,主要分为:蒸汽室集成、蒸汽室代替基板、温度均匀性以及蒸汽室缺点。由于蒸汽室存在一个重大痛点:会受重力影响,因此还有待进一步研究。

金属材料由于其高导热性而成为最受青睐的材料。塑料和聚合物复合材料等新型导热和较轻材料的改进以及与这种材料化学相容的新型流体的研究是热管设计未来的挑战之一。最后,如文献中矛盾的结果所示,通常的或新的材料/流体对的物理和化学性质的知识仍然很贫乏。为了解决这个问题,应该在热管和材料科学研究界之间建立更多的互动关系。