微型平板热管技术研究综述*

万 意，闫 珂，董 顺，辛佳磊，陈 功，张程宾

(东南大学能源与环境学院， 江苏 南京 210096)

微型平板热管技术研究综述*

万 意，闫 珂，董 顺，辛佳磊，陈 功，张程宾

(东南大学能源与环境学院， 江苏 南京 210096)

微型平板热管是解决高热流密度电子器件散热的主要途径之一。凭借优越的导热性能和恒温特性，微型平板热管已成为热管技术的重要发展方向和研究热点。近年来国内外对于微型热管的研究日益深入，提出了多种新型微槽道结构。文中主要综述了微型平板热管的研究趋势，有关微槽结构改进、加工制作、管内传热传质行为的数值模拟和实验观测等方面的研究进展以及新型微热管的研制与应用情况。

微型平板热管；槽道；传热传质；散热

引 言

近年来，伴随着小型化、高功耗电子元器件散热需求的持续增长，新兴的先进微电子散热技术蓬勃发展。其中，凭借结构紧凑、稳定性好、导热系数高以及均温性好等优势，微型热管，尤其是微型平板热管，已经成为微电子和传热传质领域的研究热点。对于集成电路板、电子芯片、CPU等平面形状的散热器件应用场合，若采用管状热管，就需要在散热器件和原器件之间增加冷、热板等外接的配合装置。这样不仅增加了传热的热阻，而且会导致热管均温性不好、局部性能下降等问题。在这些场合，小型平板热管具有优势。除了微电子制冷方向，在太空热控制和生物医疗等方面，微型平板热管也具有优势。

微型热管(如图1所示)是一种利用微小空间内毛细驱动工质蒸发-冷凝相变来实现传热的高效传热器件，主要由密闭容器、毛细结构和工作介质组成，具有结构紧凑、导热性高、恒温性好等基本特性。在普通微型热管基础上，微型平板热管(如图2所示)包括壳体及贴设于壳体内表面的毛细结构，采用槽道互相连通的结构能有效地减少蒸发的工作介质之间的相互影响，从而提升其最大传热量，减少相对热阻，提高传热性能。

图1 微型热管的工作原理

图2 一种微型平板热管

与普通热管相比，微型平板热管面临着新的挑战[1]：毛细极限和传热极限问题、边缘效应明显等。目前，国内外对微型平板热管进行了大量的理论和实验研究，并取得了一系列的研究成果，基于这些研究成果，性能更高、结构各异的新型热管得以研发，其应用也得到推广。本文总结了近期微型平板热管在热管结构、管内换热及制造工艺和新型热管研制等方面的进展，分析其发展趋势和方向，以明确今后的研究方向。

1 微槽道吸液芯结构

文献[2]的计算研究表明槽芯尺寸在蒸发部分的有效导热系数较低。由于大尺寸的轴向槽限制了传热，所以提出用硅制作热管槽道，能达到10 μm的槽宽。结果表明硅热管能使热阻降低，并能使传热量更均匀。

文献[3]的实验表明，硅热管与相同外形尺寸的光硅管相比，其功率元件和热沉之间的热阻能降低40%，且硅热管的热阻比同样尺寸的光硅管小60%。

根据微热管的最大传热能力主要受限于微槽道毛细力的大小，文献[4-7]提出了一种不等宽三角形微槽道结构，这种结构中工质的弯月面半径沿轴向呈阶梯状分布。仿真证明不等宽微槽道能提供更大的液体回流速度。通过建立理论模型，得出不等宽毛细结构的微槽道能提供较大毛细力。实际实验也证明不等宽微槽道相对于等宽槽道能提供更大的液体回流速度，在不等宽微槽道热管中也表现出明显的单向传热效应，其传热特性优于一般的等宽槽道微热管。

文献[8-10]研究了毛细结构对平板热管换热性能的影响，对3种具有同样外形尺寸的交错孔道、深微槽道和双微槽道毛细结构的铜-水平板热管进行了系统的实验研究。研究结果表明，双微槽道热管热阻最小，深微槽道热管热阻最大。双微槽道热管的轴向导热能力和径向均热能力最好。而深微槽道热管与交错孔道热管的换热性能相近。由此可见，双微槽道热管是最佳毛细结构，其热阻最小，具有最好的轴向导热性能与径向均热性能，原因是蒸发面和冷凝面上的微槽道结构降低了相变热阻，强化了相变换热。

常见的轴向槽道热管截面如图3所示。

图3 常见的轴向槽道热管截面

文献[11-12]对矩形槽道和三角形槽道热管的换热性能进行了比较研究，得出3个结论：三角形槽道热管的最佳充液率约为90%，而矩形槽道热管的最佳充液率为70%；不同工质在矩形槽道热管和三角形槽道热管中表现出不同的传热特性；矩形槽道热管蒸发段和冷凝段的换热性能均优于三角形槽道热管。

文献[13]研究了燕尾槽(倒梯形槽)平板热管的充液率和倾斜角度对其传热性能的影响，分析得出在以重力为辅助的情况下，充液率为1.2的燕尾槽平板热管性能优于矩形槽道热管。

还有一种新型槽道热管即Ω形轴向槽道热管。文献[14]计算出Ω形轴向槽道热管的传热极限。结果表明，Ω形轴向槽道热管具有良好的导热性能和恒温特性。作为槽道热管发展的新生代，Ω形轴向槽道热管换热性能好、能耗低，应对其做更加深入的理论研究和应用实践。

总结来说，矩形槽道热管蒸发段和冷凝段的传热性能均优于三角形槽道热管；在重力辅助情况下，充液率为1.2的燕尾槽平板热管的换热性能优于矩形槽道热管，Ω形轴向槽道热管的换热性能更优。Ω形轴向槽道热管作为一种新兴槽道结构具有很好的应用前景，其研究和实验还在进行之中。

2 微型平板热管传热性能研究

2.1 理论研究

文献[15]对微槽截面形状为三角形的微型热管的蒸发传热过程进行了理论建模，针对单个控制体进行了数值计算。计算发现，对于存在加工圆角的微热管，最小弯月面半径和加工圆角半径相互制约。热管控制体的接触角、平均蒸发热流密度沿轴向随壁温的降低而减小。就传热特性而言，加工圆角处形成的薄液膜能大大提高工质蒸发效率。

文献[16-17]分别对截面为矩形的微小型槽道平板热管和一种铜-水微小型多槽道平板热管的流动和传热传质过程建立了二维模型，基于薄液膜理论分析了槽道中液膜厚度分布、弯月面半径分布、管壁和液体导热温度场、气-液轴向运动过程以及传热性能。文献[18]和文献[19-21]分别对槽道截面形状为矩形、梯形和三角形的微小型槽道热管进行了流动和传热性能的理论分析和数值模拟。发现管内工质流量在蒸发段和冷凝段呈线性变化，分布规律相反，而液体平均流速与蒸汽平均流速分布基本相同。液压和汽压沿轴变化相反。汽液界面弯月面半径在不同的阶段差别较大，其中在冷凝段弯月面半径急剧增加。文献主要考虑了汽液界面剪切摩擦力、液膜厚度和弯月面变化，建立了相关模型，有一定指导意义。文献[21]采用ANSYS分析，通过比较不同功率下表面中心点的温度值，认为梯形槽平板热管具有更优越的传热性能。

文献[22]对SOG(Silicon On Glass)结构的硅微型多沟道平板热管进行了理论分析，建立了一维毛细驱动的稳态模型。模型充分考虑了汽液分界面剪切力对工质流动的影响，可更好地预测最大传热量。模型涉及热管外观参数和环境温度，分析出当沟道水力直径在500 μm或沟道宽度在300～400 μm时，微热管具有最大单位面积有效传热能力。当工作温度为333～393 K时，热管有较好的传热能力，而其他温度时，热管传热能力受工作极限限制(当微热管工作温度小于333 K时，受到声速极限的限制；当工作温度大于393 K时，受到沸腾极限的限制)。

文献[23]针对Ω形轴向槽道热管的最大传热能力建立了预测模型。采用遗传算法，分析了热管结构参数对最大传热能力的影响。分析出经过8代优化可以得到最佳个体，此程序设计是针对不同应用环境和加工机械的通用性预测模型，具有通用性。文献[24]研究了多孔毛细芯结构的平板热管在充液量较小(即冷凝段不发生堵塞)的条件下的情况。分析了毛细极限下热管的最大传热量和热阻变化，得出传热量随丝网目数增加和工作温度升高而增大的结论。同时认为以水为工质的热管有更优的传热性。文献[25]利用C-V方程、傅里叶导热方程等对热管主要极限(沸腾极限、毛细极限、粘性极限、声速极限、携带极限等)进行了较为全面的数学计算，得出当蒸汽温度一定时，热管工作主要受到毛细极限的制约。

总结文献发现，对于平板微热管的理论分析多建立在数学建模和软件模拟上，考虑了边界影响和流动摩擦阻力，得到工质质量和温度分布，分析出流动和导热规律，与实验进行比对，有助于深入研究热管流动传热机理，成本低廉，效果良好，为进一步实验和设计提供了有力参考。

对于限制热管传热性能的各种极限的研究多以理论研究为主，其中毛细极限被认为是限制热管传热能力的重要因素，提升毛细极限成为改进热管传热传质效率和性能的可行措施。

2.2 实验研究

2.2.1 现有微热管实验研究

文献[26]从充液率、工作温度、倾角、冷却方式等方面对矩形槽道结构的不锈钢-水、铜-水微型热管在冷凝段不发生堵塞情况下的传热性能进行了较全面的研究。结果表明，充液率和工作温度对其性能影响较大，工作温度的降低会减小当量系数，而整体当量系数可达到紫铜的5.4倍。该实验得到的最佳充液率为1.2左右。文献[27-28]通过类似实验证明了深微槽平板微热管角区较小，蒸发薄膜区较长，有利于形成汽化核心，使之拥有良好的均热性，能提高换热性能，同时认为水工质优于乙醇。

文献[29-31]系统研究了重力因素对微热管工作性能的影响。认为重力对管内液膜的轴向分布有很大影响，在充液率较大时，重力对周向液膜分布影响明显。热管热阻随倾斜角度单向增大，此时重力会阻碍工质回流，导致热阻增大，均热性下降。认为水平放置时，热管拥有最佳工作性能。

文献[32]研究了热源差别对平板热管散热器传热性能的影响。研究表明蒸发热阻在不均匀和均匀加热热源之间无明显变化。

文献[33]将微热管传热极限的影响因素分为3类(热管工质物性群数NI、几何结构群数Ge、重力比数Hg)，针对一种微矩形沟槽热管进行了公式拟合和毛细极限测试，并给出了优良热管的指标。研究表明，毛细极限与几何结构群数、重力比数和工质物性群数都是正相关关系。热管有效长度增加时，毛细极限下降。较高的温度和合理的几何结构可以明显提高热管的传热能力。

2.2.2 新型微热管实验测试

同时有很多学者对新型微热管进行了实验研究：

文献[34]通过铜丝和紫铜表面相切构成一种新型的零切角曲面平板式微热管。通过改变充液率、倾角、加热功率等因素，对热管的工作热阻进行了分类和实验测试。发现在低加热功率下其热阻较高，随着功率增大，热阻会迅速下降到一个稳定值，出现局部干烧(小功率或小倾角情况)或膜态沸腾现象(大功率或大倾角情况)。冷凝段和蒸发段热阻是影响微热管总热阻的主要因素，而该平板式微热管中，这2种热阻属于小比列项，热管总热阻稳定性好。

文献[35]提出了一种具有较强轴向和径向导热能力的新型槽道式平板热管均热器。这种均热器可以在反重力条件下工作。实验测得在充液量为1.0～2.0 g区间内工作性能良好。在加热热流密度为305 000 W/m2时，测得的最佳充液量为1.43 g，占最大充液量的40.4%。

文献[36]提出了一种具有整体式微槽群吸液芯的新型平板热管。经过FLUENT模拟预测和实验研究对比发现，该平板热管的沿槽压降和温降都较小，均温性好，导热系数可达到其管壳材料导热系数的12.3倍，传热性能优越。同时，这种热管制造工艺简单，选材成本低廉，采用整体式芯体，稳定性好，可靠性高。

文献[37]在2010年对一种新型的微型金属丝平板热管进行了换热特性方面的实验研究。这种新型热管采用铜丝结构，槽道由金属丝和传热平板间的微缝隙代替。与传统槽道式平板热管相比，除了充液率、工质及工作温度以外，铜丝丝径对热管蒸发段传热系数有明显影响。在不考虑传热极限时，铜丝越细，传热系数就越高。

根据目前新型微槽道平板热管相关文献[35-39]，发现大部分新型热管都在毛细尺寸、槽道排列和热管结构等方面进行了改进以提高传热系数，进而提升热管性能。经过测试，这些微改变在一定程度上加强了传热效果。

微槽群的设计是现在微热管散热器设计的一个发展方向。微槽群热管传热能力强，流动阻力小，制造工艺简单，能够产生整体的等温面，均温性好，所以得到了广泛应用。

微型金属丝热管也被提出，理论上这种设计毛细力很高且加工简单，但缺乏大量试验支撑，与微槽道结构设计相比，其实用性尚未可知。

实验研究是微型平板热管重要的研究方式，现有的文献从充液率、工作温度、倾角、冷却方式等方面进行了较全面的研究。

从有关文献发现：

1)对于不同的工质，充液率的最佳值不同，微热管充装工质会使其温度分布均匀；而对于同一种工质，在不同的加热功率下，传热极限(尤其是毛细极限)是影响充液率选择的主要因素。

2)水是最常用也是相对优良的充液工质，通常优于乙醇、丙酮等。

3)微热管倾角的选择可以作为提升微热管性能的一种措施。当角度适合时，重力对热管换热有促进作用，能够改善热管的传热性能，提高冷凝段的冷凝能力。

4)工作温度对冷凝段影响较大，较低的工作温度能加速冷凝，通常水冷效果优于空冷和风冷。

5)深槽道平板热管的传热性能优越。

6)平板热管均热性好，在厚度很小时，其传热效果也很好。与轴向热管相比，平板热管更适用于热流密度高和均热器热源面积比大的情况。

3 微热管加工工艺研究

目前对微热管加工工艺的研究主要集中在吸液芯加工技术、槽道加工和封装技术等方面。烧结式和焊接式是很多学者所采用和研究的加工吸液芯的方法。用烧结法加工的吸液芯具有金属颗粒分布均匀、对称性好、生产效率高等优点。用烧结法制成的微热管传热性能优良。焊接式有利于加速工质回流，形成细小槽道，借此提高传热性能。MEMS技术[40]是现在广泛运用在微型尺度相关研究的技术，在微型平板热管槽道的制作中使用广泛，具有可靠性高、精度高、适于批量生产等优点。封装技术也是微热管制造的关键技术，目前主流的封装技术有旋压法、等离子弧焊接法等。

随着电子设备的微型化、紧凑化，设备内部的有效空间日益减小，因此必须开发出体积较小且传热性能良好的超薄型微热管，来解决电子设备散热中的空间占用大的问题。文献[41]探讨了压扁型超薄烧结式微热管的整个制造工艺流程。压扁过程采用了相变压扁和内部吸液芯弹塑性变形辅助压扁相结合的工艺。实验结果表明，压扁式热管极限传输功率最大可至25 W，同时典型超薄微热管的压扁厚度越大，它从加热到达稳定的时间就越长。

文献[42]深入探究了烧结式微热管吸液芯的制造工艺，采用了省时高效的定量自动微振式铜粉颗粒的填入工艺，对芯棒的固定、抽出等结构进行了合理改进。经过实验测量，总结了实验热管合理烧结温度(900 ℃～950 ℃)和烧结时间(30～60 min)。

文献[43-46]对吸液芯结构的制造采用了扩散焊分层实体制造技术，并从槽道尺寸、加热功率及冷却方式对新工艺的制作效果进行了实验测试。结果表明，采用扩散焊分层实体制造的方法使槽道部分的结构发生变形，产生很多微小槽道，促进了液体工质的回流，从而提升了热管的换热性能。

文献[47]对微沟槽吸液芯的加工成形进行了探究，建立了微槽道高速充液旋压成型的几何模型。为节约材料，简化工艺，提出了使用充液高速钢球旋压技术使金属槽道拉拔成型的方法。在旋压法和犁削法的基础上，文献[48-49]提出并尝试了一种制造微热管的新方法——犁削/拉拔法。该方法对微型热管尺寸的适应性广，使用经济、方便。

为了制作出质量更轻、效率更高的微热管，研究人员在加工工艺方面不断创新，尤其在封装和槽道加工方面加以探索和创造。文献[50]对微热管的封装技术，尤其是等离子弧焊接法进行了深入研究，并对一种直径为6 mm的微热管提出了焊接电流及时间的最佳参数，建立了基于柯西公式的焊接质量评价函数，并认为焊接系统的电气性能对焊缝成形质量也有影响。

文献[51]利用MEMS技术在硅基芯片上加工制作了梯形截面的微型可视化热管。可视化观察结果发现：该热管的启动迅速，此时蒸发段汽塞主要由液柱断裂形成，汽/液塞在冷热端大幅震荡；稳定后，液塞大多在绝热段和冷凝段，蒸发段脉动大，易“烧干”。实验还观察到蒸发段的主要流型是环状流和半环状流，而核态沸腾只发生在水力半径较大的热管蒸发段中。

4 微型平板热管阵列

随着器件散热要求的不断提升，单一微热管由于热输运极限较小，已不能满足散热要求，人们开始考虑微热管片的集成，形成微热管簇。

平板微热管阵列是一个外形为薄板状、内部布置有多根独立运行的微热管的金属体，是具有超导热性能的导热元件。每个微热管阵列内部有十个以上独立运行的微热管，能够解决常规圆形热管使用中必然出现的接触面小或多次接触热阻的问题，极大提高了当量蒸汽的换热面积和整体热管的可靠性。每根微细热管内还有强化传热的微翅构造。这样的结构增大了热管直接受热及吸热的面积，此外由于微细热管的水力直径只有 1.0 mm左右，管壁承压能力极高，因而不易发生泄漏。还可根据实际需要灵活改变该微热管阵列尺寸，因此热管簇具有目前已产业化的常规热管不可比拟的优良特性。

文献[34]利用在2块基板间焊接金属丝的方法，制造出“三明治”式热管簇，并对影响该热管传热性能的几个因素如工质种类、工作极限、倾角等进行了分析。

文献[52]研制出结构紧凑且带有微结构的平板微热管阵列，并对该阵列充装不同工质时的传热性能和热通量进行测试。实验表明，在以甲醇、乙醇、R141b等为工质的情况下，该平板热管阵列具有良好的散热效果和换热性能，当以甲醇为工质时，其最佳充液率为0.3。

文献[53]还针对目前大功率LED灯的散热问题，研制出高效散热器件——平板微热管阵列。实验表明，平板微热管阵列具有良好的热传送能力。利用该平板微热管阵列设计出用于LED散热的散热装置，并进行了相关的模拟研究和实验测试。实验结果表明，该散热装置具有良好的散热效果，且基座处的温度远低于要求值。模拟结果与实验结果差值在4%以内，所以模型合理，可以用于优化设计该散热装置。

文献[52-54]讨论了平板微热管阵列的研究，认为这样的阵列增加了相变换热表面积，具有承压能力好、热运输量大的特点。

热管集成化会成为微型散热元件的一个新发展方向。

5 结束语

虽然微热管具有体积小、散热量大等优点且经过多年研究，但是并没有在市场上得到很好的普及，因为它还有一些不可避免的缺陷，例如：加工费用昂贵、报废率高、热管高性能工作状态的持久性不足等。为了解决这些问题和进一步提高平板微热管性能，微型平板热管研究的下一步工作主要是：

1)进一步优化和创新微型平板热管内部的结构，以减少其换热热阻，提升其工作效率和可靠性；

2)从理论和试验等多方面进一步研究热管内部换热工作机理，尤其针对传热传质耦合这一研究较少的领域加以探索；

3)对材料和元件进行热和受力分析，尝试新型材料，改进封装工艺、制槽技术，减少非必要损失；

4)对热管内工质流动和传热过程建立更加复杂的三维模型，综合考虑流动摩擦阻力、耦合流动等特性；

5)对多个热源在平板热管上的分布优化，加热功率的选择，最佳充液率、最优倾角等参数的确定需要进一步的定量研究；

6)平板微热管的集成是一个崭新的研究领域，微型平板热管阵列的设计值得进一步的探索；

7)加快从研究到生产应用的周期，拓展微型平板热管的应用领域。

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万 意(1993-)，女，主要研究方向为热能与动力工程。

张程宾(1983-)，男，博士，讲师，主要研究方向为微尺度传热传质。

Review on Flat Micro-heat Pipe Technology

WAN Yi，YAN Ke，DONG Shun，XIN Jia-lei，CHEN Gong，ZHANG Cheng-bin

(SchoolofEnergyandEnvironment,SoutheastUniversity,Nanjing210096,China)

Flat micro-heat pipe (FMHP) is one of the most effective approaches for cooling the electronic components under high heat fluxes. It has become the important hotspot and development orientation of modern heat pipe technology owing to high heat conductivity and good temperature uniformity. Recently, great deals of efforts have been conducted by worldwide researchers to investigate the flat micro-heat pipe, and several geometric structures of micro groove have been proposed. This paper mainly summarizes the research progresses of FMHP, including the improvement of configuration and machining, the numerical simulation of heat and mass transfer behaviors, the related experimental observation as well as the fabrication and application of new type FMHP.

flat micro-heat pipe (FMHP); groove; heat and mass transfer; heat dissipation

2015-06-16

国家自然科学基金资助项目(51306033)

TK124

A

1008-5300(2015)05-0005-06