纤维吸液芯平板微热管理论分析与验证

纤维吸液芯平板微热管理论分析与验证+沈英东+姚艺+刘健+祖晓东+韩天

摘  要：设计了一种纤维吸液芯结构平板微热管，利用纤维紧密排列间隙形成微型热管工作流道。对该微热管进行了理论分析建模，建立了质量方程、动量方程和能量方程等。对模型进行了仿真运算，对比了最大传热量与实测结果，从而得出纤维吸液芯微热管的最大传热量。

关键词：微热管;纤维吸液芯;理论模型;最大传热量

中图分类号：TK172                文献标识码：A               DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2015.14.089

微型平板热管就是一种按功能外形特征来命名的传热器件，其高导热、低热损失的优点可以有效解决常见大型集成电路的热量流失问题，对增强芯片的稳定性和延长使用时间至关重要。当微热管的提法诞生之后，微型热管得到了不断的演变和发展，性能和特性都得到了充分的发展。与传统的单根微热管和微热管阵列相比，平板式微热管的优势更加明显，主要体现在连通蒸汽腔更大、减缓对其的阻力和充分提升传热效率。

1  纤维吸液芯平板微热管结构设计

纤维吸液芯平板微热管的结构设计比较简单，就是通过圆柱形纤维紧密排列在纤维间隙所形成区域中的一种微型热管，上下极板没多大差别，唯一的差别在于上极板在槽体的结构上多了四根小柱子，柱子的长度稍大于1/2的槽体宽度。

纤维吸液芯平板微热管的吸液芯是最核心的组成部分，由大量排列很密集的纤维结构组成。这些大量密集组成的纤维会呈现出类三角形形状的截面，截面的外形就如同三个球碰在一起所围成的空隙区间。这种类三角形形状的每个边角很细，纤维结构的多层排列促使液体的倒流区域和它有一样的排列结构。这样的结构优势在于不会因管子小这一缺点而影响倒流区域的面积和数量。

纤维吸液芯平板微热管和普通的平板微热管在工作原理上是一致的，管子的工作原理就是：先在吸热端吸收大量的热量，使介质呈气态状，便于传输，然后气态状的介质从吸热端横向传输到冷凝端，将气态状的介质冷凝成液态状，最后液态状的介质又被送回到吸热端，多次重复，具体循环过程如图1所示。虽然原理和过程简单，和普通的没什么两样，但是纤维吸液芯结构更具优势的地方就在于：①类三角形形状结构边角非常细。纤维结构吸液芯形成的截面是类三角形状的液体回流沟道，利于液体实现倒流，而且制造简单、成本低廉。②循环通道分离。纤维吸液芯平板微热管工作时，气态状的介质传输方向和液态状的介质回流方向在方向和区域空间上是分开的，从而避免了两者对撞带来的热量损失和传输效率的减慢。③液态状介质回流通道多层排列。纤维结构吸液芯可以使液态状介质的回流沟道呈多层排布结构，既能满足所需的传输效率，又没有增加管子的体积，从侧面降低了制造成本。

图1  纤维吸液芯平板微热管工作原理循环过程图

2  仿真计算结果与分析

微热管在正常条件下工作时，等温性表现得非常好，基本不失真。但是超过热量极限时，随着热量的增大，管子发生实效，呈现温差非常大、明显失真的现象。当输入热量在3.5～4 W之间时，温度变化突然加大，就可大致确定管子的最大传热量就在3.5～4 W这一范围内。通过建立的数学方程，代入相应的数据，解答方程得出的结果是3.7 W，从图像上反映的结果和建模解出的结果非常相近，进一步验证了仿真结果的正确性。

3  结束语

本文设计了一种具有纤维吸液芯结构的平板微热管，能够改进传统微型热管的结构缺陷，利用纤维紧密排列所形成的尖角区域作为工质回流通道，达到增大回流毛细力、提高传热能力的效果。针对这种结构建立理论模型，对纤维吸液芯结构平板微热管进行仿真分析，得到最大传热量为3.8 W，并对微热管进行实测，实测结果进一步验证了仿真结果的正确性。

参考文献

[1]李腾，刘静.芯片冷却技术的最新研究进展及其评价[J].制冷学报，2004（3）：22-32.

[2]刘益才.电子芯片冷却技术发展综述[J].电子器件，2006（1）：296-300.

〔编辑：王霞〕

Fiber Wick Micro Heat Management Theory Analysis and Verification

Shen Yingdong， Yao Yi， Liu Jian， Zu Xiaodong， Han Tian

Abstract： The design of a fiber wick structure of flat micro heat pipe， using fiber closely spaced gap formation of micro heat pipe working channel. The theoretical analysis and modeling of the micro heat pipe， established the quality equation， momentum equation and energy equation etc. The model simulation operation， compared with the maximum heat transfer with the measured results， thus obtains the fiber wick of micro heat pipe the maximum heat transfer.

Key words： heat pipe; fiber wick; theoretical model; maximum heat transfer

文章编号：2095-6835（2015）14-0090-02