微热管在电子器件冷却中的应用

技术分类: 模拟设计  | 2008-04-25
来源:国外电子元器件 | 作者:张亚平 冯全科 余小玲

  3 平板热管(Flat heat pipe)

  如图4所示为平板热管传播器示意图。平板热管能把热量从集中热源传向大面积区域,在这个区域上,热流密度通过冷凝面积和蒸发面积的比值降低。流体返回是三维流动,热源和散热器在热管的对侧,需要一个复杂的吸液芯结构进行优化。与普通热管相比这种热管传播器具有更大的冷却面积,而且可直接冷却,不需要任何额外的喷水式或强迫空气对流的散热器。由于平板热管质量轻、结构灵活、导热性能极高,所以,广泛应用于太空船热控制、大功率电子元件的冷却和生物医学等领域。平板热管作为衬底,热管不仅是热的传播器,同时还作为机械结构。

平板热管传播器示意图

  根据吸液芯体的设计和构造,平板热管一般分为两类:一种是用传统的多孔芯结构。如烧结粉末、光纤和筛子网;另一种是用非圆形微通道作为液体的通道。有微通道或轴向槽的平板热管有很多优点,如高热流和低成本。目前的热点研究是要把微槽道和电子元件一体化。

  文献[9]构建了一个二维数学模型来分析瞬态和稳态的扁热管传热性能,这些模型解释了蒸汽核心的压力和在蒸汽区域连续动量和能量方程的耦合。设计了一个稳态的数学程序来求解控制方程,这个程序提高了序列解决方案的标准,解释了在相界面温度、压力和质量流率的敏感性。这个方法对于热量输入和预测上显示和试验结果能很好地吻合。这个模型在文献[10]中用来研究多个分散热源平板热管的性能,通过总结最大液体和蒸汽压降可以确定所需的毛细压降,从而确定吸液芯的核心半径,提供必需的毛细压降,防止干涸。对于已知的核心半径,分析有助于确定干涸的时间和位置,干涸的位置就在毛细压头的最大值处。

  相变材料适用于短暂瞬态和周期性的散热情况,用PCM储能材料替代铜热沉,这样能够降低结点温度,同时节约体积和重量,由于PCM导热性比铝合金要小,多孔铝泡沫填充材料能够提高传热系数。

  文献[12]试验结果表明:热管最大传热能力的影响因素有网眼数目、金属丝直径、网层数、倾斜角度、烧结过程和烧结网芯的紧系数。

  下一步主要研究热管的传热极限,优化蒸发面积,使热量能传到更大的冷却面积上,同时试验结果表明:与沟槽表面相比多孔结构能提供更大的毛细力,开发新型材料在确保密封的同时降低材料热阻,提高导热性能,如何测量加热器下的温度是需要解决的一个问题。

  目前的主要研究目标有4个:

  (1)开发理论模型以预测热管的传热限;

  (2)改进其制作工艺,目前产品的报废率很高;

  (3)确定几何外形和操作参数对传热能力的影响以优化热管的结构设计,根据热力学第二定律的墒产最小进行结构优化;

  (4)强化传热,填充铝和金金属泡沫或者PCM相变材料以降低材料热阻,提高传热性能。

  4 电流体动力微热管

  一体化电流体动力微热管示意图如图5所示。由于从冷凝器到蒸发器输送液体有很大的流体粘性损失,因此传统的微热管不能带走电子元件的极大功率密度。文献[13]提出用电极取代毛细芯,结果表明电极能在冷凝器和蒸发器中输送流体,与现存的毛细芯驱动现象相比,其性能较差。文献[14]的试验证明:螺纹槽电流体动力热管驱动流体的传热性能比普通毛细芯热管性能提高了100%。文献[15]表明微热管阵列在传热性能上提高了6倍。对于微热管电场的应用不仅能提高微热管的传热能力,而且已有文献表明,对于瞬态热负荷,电流体动力热管能够对热源提供有效的热控制。

一体化电流体动力微热管示意图

  文献[16]结果表明:应用电场时,与传统微热管不同,工作流体大多集中在微热管的蒸发区域,通过蒸发降低热源的温度,蒸发器中工作流体的数量由电场的长度确定,改变电场长度能够控制蒸发器中工作流体的数量,这样,通过控制电场长度能够灵活地控制带走的热量和温度的需求。能够消除温度的波动,使温度控制更精确。

  电流体动力微热管的主要特征是在蒸发器表面能产生超细薄膜,靠静电体积力来驱动流体。这个装置能降低电子元件的工作温度,提供对敏感元件的温度控制。以MEMS为基础的冷却装置在计算机、生物医学、汽车和宇宙空间等领域有很好的应用前景。文献[181的原型装置的最大冷却能力为65 W/cm2泵压头250 Pa.R-134a为工作流体。

  文献[17]设计了一个可变电极间距的整体微热泵装置,微热管蒸发器和水平面的夹角分别取30°、45°和60°,并对各种情况进行了试验。在过热19℃时的冷却率达到35 W/cm2,电压400 V时的稳态压头为350 Pa,这种小型冷却装置可和背面带冷却装置的小型电子元件接触,能够调节从电子元件带走的热量。

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