近年來，電子元件越來越呈現(xiàn)出微型化和高功耗的發(fā)展趨勢，如何解決電子元件因高發(fā)熱量而導(dǎo)致性能下降的問題引起了人們的廣泛關(guān)注。其中，熱管兩相冷卻設(shè)備因相變產(chǎn)生較大的熱導(dǎo)率而成為高效的傳熱器件。伴隨著熱管散熱技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域的持續(xù)擴(kuò)展，人們已經(jīng)根據(jù)一些特殊場合要求制造出了多種異形熱管，如脈動(dòng)熱管、環(huán)路熱管 （LHP）、毛細(xì)泵抽吸兩相回路熱管（CPL）以及各種微熱管。

由于許多設(shè)備的表面是平面，為滿足此類設(shè)備的散熱需求，1969 年，Sheppard首先設(shè)計(jì)出一種用矩形斷面的熱管來冷卻集成電路的底板，在此研究基礎(chǔ)上，F(xiàn)eldman 提出了均溫板，將吸液芯結(jié)構(gòu)化，使得工質(zhì)在吸液芯提供的毛細(xì)壓頭作用下能夠?qū)崿F(xiàn)在密閉空間的循環(huán)流動(dòng)，獲得了美國專利局的專利授權(quán)。隨后，均溫板被廣泛應(yīng)用于微電子器件、空間熱控制等領(lǐng)域。

1.均溫板的工作原理

均溫板由密閉容器、毛細(xì)結(jié)構(gòu)和工作流體組成，為保證均溫板具有高效的換熱性能，通常外殼采用熱導(dǎo)率較高的材料，內(nèi)壁四周附著吸液芯，為滿足耐壓需求，一些均溫板內(nèi)部設(shè)計(jì)有實(shí)心柱、燒結(jié)柱或在實(shí)心柱外表面附著吸液芯形成燒結(jié)環(huán)，如圖1所示。

圖1 均溫板的工作原理

當(dāng)均溫板底部施加熱量時(shí)，液體隨熱量增加而蒸發(fā)，蒸汽上升到容器頂部產(chǎn)生冷凝，依靠吸液芯回流到蒸發(fā)面形成循環(huán)。均溫板相比于傳統(tǒng)熱管軸向尺寸大大縮短，減小了工質(zhì)流動(dòng)阻力損失以及軸向熱阻。同時(shí)徑向尺寸有所增加，顯著增加了蒸發(fā)面和冷凝面的面積，具有較小的擴(kuò)散熱阻和較高的均溫性。這種特殊結(jié)構(gòu)提高了均溫板的散熱能力，使得被冷卻的電子設(shè)備可靠性增加，為解決有限空間內(nèi)高熱流下的均溫性問題提供了新的解決思路。

目前，均溫板已經(jīng)應(yīng)用在一些高性能商用和軍用電子器件上，隨著加工技術(shù)的發(fā)展，均溫板朝著越來越薄的方向發(fā)展。受扁平均溫板內(nèi)狹小空間的限制，微型吸液芯的結(jié)構(gòu)及制備方法、蒸發(fā)冷凝及工質(zhì)輸運(yùn)機(jī)理等較普通熱管有所不同，例如：

①傳統(tǒng)熱管沸騰和凝結(jié)不存在相互干擾，而在均溫板中沸騰和凝結(jié)發(fā)生在相距 1~2mm 的蒸發(fā)面和冷凝面上，氣泡的行為受到了有限空間的限制，導(dǎo)致傳熱特征發(fā)生了變化；②傳統(tǒng)熱管截面為圓形，強(qiáng)度較高，而均溫板截面為扁平形狀，強(qiáng)度較低。為滿足耐壓需求，在均溫板內(nèi)部一般設(shè)計(jì)有一定數(shù)量的燒結(jié)環(huán)或燒結(jié)柱，可以同時(shí)將上下毛細(xì)芯連接在一起，縮短回流路徑，加快循環(huán)過程，很大程度上提高均溫板的傳熱性能；③熱管的壓力損失主要包括吸液芯結(jié)構(gòu)層中與管道中的流動(dòng)壓力損失和重力損失。

而均溫板厚度遠(yuǎn)小于其寬度，因此工質(zhì)在厚度方向吸液芯結(jié)構(gòu)層中的流動(dòng)壓力損失和重力損失可忽略。

本文結(jié)合國內(nèi)外研究資料對均溫板關(guān)鍵部件吸液芯的結(jié)構(gòu)以及制備方法、均溫板理論計(jì)算模型、均溫板性能影響因素 （包括工作流體、充液率、熱源分布及工作角度） 進(jìn)行綜述分析，并對其發(fā)展與應(yīng)用進(jìn)行展望。

2.吸液芯結(jié)構(gòu)及性能

均溫板依靠內(nèi)部的吸液芯結(jié)構(gòu)提供凝結(jié)液回流的動(dòng)力，該結(jié)構(gòu)影響了臨界熱流和熱性能。與熱管相比，均溫板尺寸較小，要達(dá)到較小溝槽尺寸以及較高的填粉要求比較困難，對此學(xué)者們不斷優(yōu)化制備工藝。為使之有更好的換熱特性，新型的微型吸液芯結(jié)構(gòu)不斷被開發(fā)出來，同時(shí)對吸液芯進(jìn)行表面處理，顯著加強(qiáng)了均溫板的綜合性能。

常見的吸液芯結(jié)構(gòu)主要有 3 種：微槽道型、燒結(jié)粉末型、燒結(jié)絲網(wǎng)型。微槽道型是在均溫板壁面加工出溝槽作為回流通道，減小流動(dòng)阻力，但制備工藝復(fù)雜，成本較高；燒結(jié)絲網(wǎng)型是將絲網(wǎng)燒結(jié)在板的內(nèi)壁，絲網(wǎng)的孔隙可以控制，具有結(jié)構(gòu)簡單、制造方便、成本低廉等優(yōu)點(diǎn)，缺點(diǎn)是網(wǎng)層間及絲網(wǎng)與管壁之間有間隙而導(dǎo)致熱阻較大，由于超薄均溫板中的吸液芯是以絲網(wǎng)型為主的，該結(jié)構(gòu)將放在第4節(jié)超薄均溫板中一并介紹；燒結(jié)粉末型是將金屬粉末直接燒結(jié)在板的內(nèi)壁，能提供較大的毛細(xì)力，應(yīng)用范圍最廣且技術(shù)也最成熟，但缺點(diǎn)是滲透性較差。

2.1 微槽吸液芯

溝槽吸液芯是在均溫板內(nèi)壁加工各種形狀的溝槽制作而成的，利用槽道界面張力的作用使液相工作介質(zhì)回流而實(shí)現(xiàn)吸液芯的功能。而微槽吸液芯的制備是一個(gè)技術(shù)難點(diǎn)，但近年來取得了較大進(jìn)展。

何艷麗等利用擴(kuò)散焊分層實(shí)體制造技術(shù)獲得變形小、可一次焊接成形的深窄槽。槽道寬度為0.4mm，試驗(yàn)過程在加熱功率為 40W、水平放置、加熱過程伴隨風(fēng)冷的試驗(yàn)條件下，其最大有效熱導(dǎo)率能達(dá)2552.2W/(m·K)。陳亮等利用飛秒激光加工法，獲得了質(zhì)量良好、槽寬50μm且深寬比達(dá)5.4的微槽。根據(jù)飛秒激光光束的光斑特性，通過調(diào)節(jié)峰值能量控制焦點(diǎn)附近的激光強(qiáng)度，對飛秒激光的加工區(qū)域進(jìn)行精確控制，使其加工尺寸突破衍射極限成為可能，為微尺度器件的超精細(xì)加工提供了可行性。隨著微槽吸液芯制備技術(shù)的發(fā)展，學(xué)者們制備出了各類形狀的微槽，常見的微槽如圖2所示。

圖2 常見的微槽結(jié)構(gòu)

為了解決微槽吸液芯毛細(xì)極限較小導(dǎo)致傳熱受限的問題，在常見微槽基礎(chǔ)上又發(fā)展出了許多新型的結(jié)構(gòu)。Hung等設(shè)計(jì)了星形槽道吸液芯，如圖3所示，并比較星形槽道和三角形槽道的幾何參數(shù)，如截面形狀、角頂角尖銳度、角數(shù)、截面面積和總長度對熱管性能的影響。

Bahmanabadi 等對新型徑向矩形槽和徑向傾斜三角形槽進(jìn)行熱阻研究，如圖4所示，發(fā)現(xiàn)溝槽可以通過誘導(dǎo)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)來增強(qiáng)換熱。相同換熱面積的徑向矩形槽面和徑向傾斜三角形槽面平均熱阻比光滑表面分別提高 22.9% 和36.13%。

圖3 星形槽道和三角形槽道

圖4 徑向矩形槽和徑向傾斜三角形槽

Li等將圓盤分成一系列相同的扇形區(qū)，在自然分支現(xiàn)象的啟發(fā)下，開發(fā)了一種新的生長模型，如圖5所示，隨著毛細(xì)管壓力增大，溫度梯度更加均勻，然而此結(jié)構(gòu)加工十分關(guān)鍵，作者所在團(tuán)隊(duì)通過化學(xué)蝕刻無法形成具有深窄特征的微通道，最終加工深度僅為 0.16~0.24mm，極大地限制了均溫板的性能。最后選用泡沫銅作為吸液芯結(jié)構(gòu)，利用激光雕刻和模具壓印來形成分形結(jié)構(gòu)。Liu 等研究了在不同分形角度下均溫板的性能，當(dāng)角度接近45°時(shí)，均溫板的熱阻較小。

圖5 自然分支微槽結(jié)構(gòu)

2.2 燒結(jié)粉末

燒結(jié)金屬粉末多孔材料具有質(zhì)量輕、毛細(xì)力大、比表面積大、耐熱耐腐蝕等優(yōu)點(diǎn)，其孔隙率和孔徑大小及分布主要受粉末粒度、形貌和制造工藝的影響。目前大量生產(chǎn)使用的粉末吸液芯原材料主要有銅、鎳、鋁、不銹鋼等，可以根據(jù)不同工況對材料進(jìn)行選擇。

燒結(jié)粉末作為傳統(tǒng)的吸液芯結(jié)構(gòu)，在熱管和均溫板中都有廣泛的應(yīng)用。其制造工藝在不斷優(yōu)化，尤其是直接影響毛細(xì)吸液芯結(jié)構(gòu)質(zhì)量的填粉工藝。填粉設(shè)備逐漸向精確化、自動(dòng)化方向改進(jìn)，其中包括對振動(dòng)參數(shù)的研究、粉體定量填充的研究以及振動(dòng)填粉設(shè)備的研究。對于燒結(jié)工藝，控制燒結(jié)的時(shí)間和溫度十分關(guān)鍵。王小鷹研究得到隨著燒結(jié)溫度的升高，孔隙率、平均孔徑及滲透率都顯著下降，收縮率增大。燒結(jié)時(shí)間小于30min時(shí)，隨著燒結(jié)時(shí)間的延長，孔隙率、平均孔徑及滲透率顯著降低。繼續(xù)延長燒結(jié)時(shí)間，孔隙率及滲透率下降趨勢變緩，而毛細(xì)壓力隨著燒結(jié)時(shí)間的延長先增加后降低。

對于單孔隙燒結(jié)毛細(xì)芯，燒結(jié)粉末的顆粒直徑、孔隙度、燒結(jié)層厚度等對均溫板的熱阻都具有較大的影響。黃豆研究了銅粉種類對吸液芯毛細(xì)性能的影響，發(fā)現(xiàn)在平均粒徑相同時(shí)，不規(guī)則狀銅粉吸液芯燒結(jié)后的孔隙率遠(yuǎn)大于球形銅粉吸液芯。而吸液芯的毛細(xì)性能與吸液芯的收縮率沒有直接的關(guān)系，毛細(xì)性能主要受吸液芯的孔隙率、滲透率和毛細(xì)壓力（有效毛細(xì)半徑）的影響。

李紅傳等根據(jù)仿生學(xué)原理，以天鵝絨竹芋為設(shè)計(jì)依據(jù)，構(gòu)建了錐形毛細(xì)芯均溫板，兩種錐形結(jié)構(gòu)如圖6所示。錐形毛細(xì)芯結(jié)構(gòu)經(jīng)氧化處理后，總熱阻在不同加熱功率下均有一定程度的降低，最小值可達(dá)0.079K/W。

圖6 兩種錐形結(jié)構(gòu)

除了單孔隙吸液芯，目前已有多種不同粒徑、不同材料混合的多孔徑吸液芯被提出，特別是雙孔徑芯，其流動(dòng)和傳熱性能優(yōu)異，在均溫板中得到了廣泛應(yīng)用。雙孔芯中既有大孔也有小孔，小孔徑提供大的毛細(xì)泵送力，大孔徑減小工作流體在多孔芯內(nèi)的流動(dòng)阻力，增加蒸發(fā)面積，有利于蒸汽的排出。

銅粉和鎳粉常作為雙層梯度孔吸液芯的原材料，在鎳層中添加一定量的造孔劑以增加吸液芯內(nèi)工質(zhì)流動(dòng)通道，同時(shí)采用松裝燒結(jié)無壓成型法，依靠粉末自身相互搭架而形成孔洞，獲得的制品孔隙率較高。造孔劑比例和粒徑對其連接強(qiáng)度、線收縮率、孔隙率和毛細(xì)抽吸性能有很大影響。

Wang等將球狀和枝狀的不同金屬粉末制成多孔芯，如圖7所示，研究了兩種粉末的混合比以及造孔劑的粒徑和體積比對多孔芯的影響。兩種金屬粉末的混合比對臨界熱負(fù)荷和蒸發(fā)器壁溫有顯著影響，當(dāng)球狀鎳粉和枝狀銅粉的混合比達(dá)到 3∶7 時(shí)，造孔劑顆粒直徑為 30~45μm，孔隙率為 40% 時(shí)能達(dá)到最高臨界熱負(fù)荷 530W。

圖7 鎳銅復(fù)合多孔吸液芯的SEM圖

莫冬傳等從幾何尺寸梯度和潤濕性梯度兩個(gè)方面出發(fā)將微米、納米結(jié)構(gòu)結(jié)合開發(fā)出多層梯度結(jié)構(gòu)多孔表面來強(qiáng)化沸騰換熱，且將單層的樹林狀梯度結(jié)構(gòu) （可以認(rèn)為是形成了很多相互貫通的 Ω 形槽道） 應(yīng)用于超薄均溫板中，取得了優(yōu)異的均溫效果及傳熱性能。

表1對文中提及的槽道和燒結(jié)粉末吸液芯的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行了總結(jié)。

表1 吸液芯結(jié)構(gòu)分類及其優(yōu)缺點(diǎn)

2.3 復(fù)合吸液芯

以上介紹的吸液芯結(jié)構(gòu)特點(diǎn)各異。微槽的滲透性很好但毛細(xì)力卻較小，燒結(jié)粉末毛細(xì)力很大而其滲透性卻較差。復(fù)合吸液芯可以結(jié)合各類吸液芯的優(yōu)點(diǎn)達(dá)到整體最優(yōu)，如多層絲網(wǎng)復(fù)合、絲網(wǎng)與粉末復(fù)合、粉末與溝槽復(fù)合等。

Chen等提出了一種多層復(fù)合細(xì)網(wǎng)吸液芯，該復(fù)合細(xì)網(wǎng)吸液芯由粗網(wǎng)和細(xì)網(wǎng)不同的層組組合而成，可以提高吸液芯的吸濕性能，從而進(jìn)一步提高均溫板的熱性能。通過毛細(xì)上升率實(shí)驗(yàn)，對其吸液能力進(jìn)行了評價(jià)，結(jié)果表明，與多層單網(wǎng)格吸液芯結(jié)構(gòu)相比，多層不同結(jié)構(gòu)的絲網(wǎng)吸液芯性能顯著提高。由3層100目和3層300目組成的吸液芯，其最佳體積流速達(dá) 14.44mm3/s，平衡吸液芯高度達(dá)55.98mm。

Niu 等以銅粉和銅絲網(wǎng)為主要原料制備了復(fù)合吸液芯，研究銅粉粒徑、銅粉體積比、超親水處理對毛細(xì)性能的影響。結(jié)果表明，銅粉體積比是影響毛細(xì)性能效果的最顯著因素。此外，對于超親水性處理后的吸液芯，較小的銅粉顆粒具有較高的滲透性和較好的綜合性能。

Wiriyasart 等研究了微槽表面涂覆多孔燒結(jié)芯的均溫板，并與無多孔燒結(jié)芯的均溫板進(jìn)行比較。結(jié)果表明，微槽內(nèi)具有多孔燒結(jié)芯均溫板的熱工性能比不具有多孔燒結(jié)芯的均溫板最高可提高20%。

本文標(biāo)題：兩相散熱材料均溫板的工作原理

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