徐鵬程，陶漢中，張紅

（1 南京工業(yè)大學(xué)能源學(xué)院，江蘇 南京 211816；2 南京科遠(yuǎn)自動(dòng)化集團(tuán)股份有限公司，江蘇 南京 211102）

引 言

近幾年隨著電子技術(shù)的迅速發(fā)展，電子元器件朝著高頻，高速及微小化方向發(fā)展，從而使得電子元器件單位面積上的發(fā)熱量迅速增大。因此電子技術(shù)的發(fā)展需要良好的散熱手段來(lái)保證，而一般情況下電子元器件的發(fā)熱面積與散熱器基板的面積相差太大，這導(dǎo)致了傳熱過(guò)程中產(chǎn)生很大的擴(kuò)散熱阻[1]。為了減少擴(kuò)散熱阻，提高電子元器件的壽命，蒸氣腔熱管的概念近幾年被提出，其工作原理是利用工質(zhì)的相變傳熱，由蒸發(fā)端吸熱將腔體內(nèi)部工質(zhì)蒸發(fā)，并利用微小的壓力差使蒸氣流至冷凝端與外部進(jìn)行熱交換，釋放完熱量后的蒸氣冷凝成液態(tài)，經(jīng)由蒸氣腔內(nèi)部壁面的毛細(xì)力作用而回流至蒸發(fā)段，如此持續(xù)循環(huán)，從而達(dá)到傳遞熱量的目的[2]。由于此循環(huán)進(jìn)行得比較快，因此熱量能夠較快地傳輸，避免了局部高熱問(wèn)題的產(chǎn)生。

蒸氣腔熱管的發(fā)展為電子元件提供了更佳的散熱保護(hù)，不少學(xué)者已開(kāi)始投入到蒸氣腔的研究中。蒸氣腔熱管的研究方式包括實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬，主要研究吸液芯材料與結(jié)構(gòu)、蒸氣腔厚度、工質(zhì)種類(lèi)、充液率及工作角度對(duì)蒸氣腔熱管傳熱影響。蒸氣腔熱管的理論研究文獻(xiàn)較少。Koito 等[3-4]對(duì)蒸氣腔熱管內(nèi)部傳熱特性進(jìn)行了理論研究。

吸液芯結(jié)構(gòu)的選擇通常對(duì)蒸氣腔熱管的傳熱極限有很大的影響，其結(jié)構(gòu)通常有金屬絲網(wǎng)、燒結(jié)金屬粉末、溝槽及金屬纖維氈等。Lin 等[5]通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究了工質(zhì)為水的蒸氣腔熱管的蒸發(fā)段、絕熱段以及冷凝段的溫度分布，其吸液芯為銅絲網(wǎng)。Prasher[6]為了預(yù)測(cè)熱管的特性，通過(guò)建立物理模型來(lái)預(yù)測(cè)燒結(jié)金屬粉末吸液芯熱管與蒸氣腔熱管的傳熱現(xiàn)象。Chen 等[7]以數(shù)值分析及實(shí)驗(yàn)方式探討矩形金屬板及吸液芯為燒結(jié)銅粉的蒸氣腔熱管的擴(kuò)散熱阻，研究結(jié)果顯示金屬板的熱阻與加熱量無(wú)關(guān)，蒸氣腔熱管表面溫度分布不受加熱面積及加熱量的影響，溫度上升較小且較均勻，因此蒸氣腔熱管為較佳的熱擴(kuò)散器。

蒸氣腔內(nèi)工作液體的選用也是一個(gè)非常重要的關(guān)鍵點(diǎn)，常用的工質(zhì)有水、乙醇及丙酮等。豈興明等[8]通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究工質(zhì)為丙酮、乙醇和水，充液率在20%～90%之間的小型平板熱管的傳熱性能，得出該平板熱管以乙醇為工質(zhì)的傳熱性能最好，并給出平均傳熱系數(shù)的綜合關(guān)聯(lián)式。Boukhanouf 等[9]利用紅外線熱影像測(cè)量工質(zhì)為水的蒸氣腔體的傳熱性能，所得實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與相似尺寸的銅塊實(shí)驗(yàn)結(jié)果比較，發(fā)現(xiàn)蒸氣腔體的表面溫度梯度及擴(kuò)散熱阻均比銅塊與有缺的蒸氣腔體的低。Ogushi 等[10]分析了使用乙醇作為工質(zhì)的蒸氣腔熱管，研究表明在蒸氣腔熱管與鋁平板質(zhì)量相同時(shí)，蒸氣腔熱管的傳熱速率是鋁平板的兩倍。Xuan 等[11]通過(guò)改變加熱功率、蒸氣腔體工作角度以及工質(zhì)的充液量，探討工質(zhì)為水與丙酮的蒸氣腔的傳熱現(xiàn)象，并利用理論公式推導(dǎo)蒸氣腔體的暫態(tài)與穩(wěn)態(tài)現(xiàn)象。Hsieh 等[12-13]以數(shù)值模擬及實(shí)驗(yàn)測(cè)量方式，探討蒸氣腔熱管的熱傳特性，研究中發(fā)現(xiàn)內(nèi)部無(wú)銅柱的蒸氣腔體有較小的擴(kuò)散熱阻，且表示蒸氣腔體具有很好的傳熱性能，可作為改善傳統(tǒng)散熱片的替代品。

對(duì)比前人的研究方法與研究?jī)?nèi)容，本文重點(diǎn)針對(duì)吸液芯為金屬纖維氈的蒸氣腔熱管，通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)試了工質(zhì)分別為水和丙酮的蒸氣腔熱管的工作性能，探討分析金屬纖維氈蒸氣腔熱管的啟動(dòng)性能與均溫性。

1 實(shí)驗(yàn)裝置

圖1 蒸氣腔熱管幾何結(jié)構(gòu)圖及吸液芯實(shí)物圖Fig.1 Composition of vapor chamber heat pipe and its microstructure

圖2 蒸氣腔熱管實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.2 Test system of vapor chamber heat pipe

表1 蒸氣腔熱管特性參數(shù)Table 1 Vapor chamber heat pipe parameters

實(shí)驗(yàn)中所使用的兩種蒸氣腔熱管的外形尺寸均為100 mm×100 mm×17 mm，其結(jié)構(gòu)如圖1所示，殼體材料為紫銅。為了提高蒸氣腔熱管的傳熱性能，在蒸氣腔體的頂部與底部均布置2 mm 厚的 吸液芯，吸液芯為比利時(shí)貝卡爾特公司提供的金屬纖維氈（Bekipor WB 08/300），利用20 目（850 μm）的不銹鋼絲網(wǎng)將吸液芯固定在壁面上，其孔隙率為0.97[14]。在蒸氣腔腔體中分別充入工質(zhì)水和丙酮，兩種工質(zhì)的充液率均為10 ml，真空度為10-4Pa，表1列出了蒸氣腔熱管的詳細(xì)參數(shù)。

為了模擬電子元器件芯片產(chǎn)生的熱量，實(shí)驗(yàn)中使用電加熱管與銅塊來(lái)模擬熱源，同時(shí)利用調(diào)節(jié)變壓器來(lái)改變電加熱管的功率。電加熱管產(chǎn)生的熱量經(jīng)銅塊傳遞到頂部，頂部為邊長(zhǎng)30 mm 的正方形，安裝在蒸氣腔熱管蒸發(fā)端的中心位置。為了減小銅塊與蒸氣腔熱管的接觸熱阻，在它們之間涂有導(dǎo)熱硅脂并施加一定的壓力。

為了測(cè)試蒸氣腔熱管的傳熱性能，將測(cè)試件安裝在矩形風(fēng)道測(cè)試臺(tái)中。圖2為蒸氣腔熱管的測(cè)試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖，整個(gè)系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計(jì)，主要包括亞克力板風(fēng)道，蒸氣腔熱管，電加熱管，調(diào)節(jié)變壓器，風(fēng)扇，GPC-6030D 直流電源，熱線風(fēng)速儀，Agilent 34970A 數(shù)據(jù)采集儀，DP1000-ⅢB 型數(shù)字微壓計(jì)，T 型熱電偶線，電壓表，電流表以及保溫棉等。矩形風(fēng)道的尺寸為120 mm×110 mm×1900 mm，其中進(jìn)口段L1=1000 mm，測(cè)試段L2=300 mm，尾部L3=600mm。利用風(fēng)扇將空氣引入風(fēng)道中，橫掠蒸氣腔熱管的冷凝端。風(fēng)道中的風(fēng)速通過(guò)熱線風(fēng)速儀測(cè)量。整個(gè)系統(tǒng)中溫度的測(cè)量采用的是T 型熱電偶，并通過(guò)數(shù)據(jù)采集儀記錄收集。考慮到蒸氣腔熱管傳熱的對(duì)稱(chēng)性，在測(cè)試件的上下表面均布置T 型熱電偶，熱電偶的分布如圖3所示，其中測(cè)試點(diǎn)1監(jiān)控的是銅加熱塊的溫度。風(fēng)道進(jìn)出口風(fēng)溫的測(cè)試點(diǎn)布置在距離測(cè)試件前后各300 mm 處。所有的熱電偶都連接到數(shù)據(jù)采集儀中，通過(guò)計(jì)算機(jī)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。為了減少環(huán)境因素的影響及散熱損失，在測(cè)試段風(fēng)道及電加熱管周?chē)孛蕖?shí)驗(yàn)中，觀察熱電偶溫度的變化，溫度在5 min 內(nèi)波動(dòng)不超過(guò)正負(fù) 0.5℃時(shí)，即認(rèn)為蒸氣腔熱管達(dá)到穩(wěn)定工作溫度。

圖3 熱電偶測(cè)量點(diǎn)Fig.3 Thermocouples distribution on vapor chamber heat pipe

實(shí)驗(yàn)中加熱功率可由式(1)計(jì)算

式中，U為電壓（V），I為電流（A），由電壓表、電流表顯示面板中讀出。

當(dāng)實(shí)驗(yàn)測(cè)試穩(wěn)定時(shí)，風(fēng)道中由空氣帶走的熱量為

式中，m為空氣質(zhì)量流量，cp為空氣的比定壓熱容，Tout為出口空氣平均溫度，Tin為進(jìn)口空氣平均溫度。經(jīng)計(jì)算加熱功率與冷側(cè)空氣帶走的熱量基本平衡，熱損失比率在4.1%以下。

蒸氣腔熱管的蒸發(fā)端的平均溫度為

蒸氣腔熱管的冷凝端的平均溫度為

實(shí)驗(yàn)中可能產(chǎn)生的誤差主要來(lái)源于測(cè)量所用的儀器的誤差，如熱電偶、壓力計(jì)、電流表及電壓表等。實(shí)驗(yàn)中測(cè)量溫度的熱電偶與測(cè)量速度的儀器的準(zhǔn)確度均為±1%。實(shí)驗(yàn)測(cè)量的不準(zhǔn)確度可表示為[15]

由上述方法即可求出實(shí)驗(yàn)測(cè)的熱阻值與真值之間的可能誤差范圍，而利用相同的方式也可以求得研究中的加熱量與Reynolds 數(shù)等不同實(shí)驗(yàn)值的不準(zhǔn)確度。本研究中各實(shí)驗(yàn)條件下加熱量的不確定度最大值為3.27%，Reynolds 數(shù)的不準(zhǔn)確度最大值為0.5%。經(jīng)由不準(zhǔn)確度的計(jì)算，顯示本研究的實(shí)驗(yàn)結(jié)果具有一定程度的準(zhǔn)確性。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果和分析討論

為了探討蒸氣腔熱管的傳熱特性，分別在不同加熱功率（60.2、102.3、144.9、187.6、230 W）和不同冷卻風(fēng)速（2、3、4、5 m·s-1）下，測(cè)得以水和丙酮為工質(zhì)的蒸氣腔熱管性能實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

2.1 啟動(dòng)特性研究

圖4為冷卻風(fēng)速為2 m·s-1，加熱功率為187.6 W 下，兩種工質(zhì)的蒸氣腔熱管啟動(dòng)時(shí)蒸發(fā)端和冷凝端的溫度隨時(shí)間的變化曲線。由圖可以看出，兩種不同工質(zhì)的蒸氣腔熱管到達(dá)穩(wěn)定工作溫度的時(shí)間都在3000 s 左右，啟動(dòng)時(shí)間基本相同。但是水工質(zhì)的蒸氣腔熱管的升溫速度較丙酮工質(zhì)的快，穩(wěn)定工作后的溫度也比丙酮工質(zhì)熱管的表面溫度要高，最大相差19.11℃，同時(shí)可以看出工質(zhì)為水的蒸氣腔熱 管上下表面的溫差比丙酮熱管的小2.67℃。這是因?yàn)樗膫鬏斠驍?shù)高于丙酮，所以傳熱效果較好。

圖4 蒸氣腔熱管的啟動(dòng)曲線Fig.4 Vapor chamber heat pipe startup

圖5 變功率下蒸氣腔熱管的啟動(dòng)特性Fig.5 Startup performance of vapor chamber heat pipe by different heating power

為了模擬電子設(shè)備工作時(shí)變耗散功率下蒸氣腔熱管的啟動(dòng)特性，實(shí)驗(yàn)中給定蒸氣腔熱管的變加熱功率，通過(guò)分析蒸氣腔熱管壁面的升溫曲線，研究變功率對(duì)蒸氣腔熱管的啟動(dòng)性能的影響。

實(shí)驗(yàn)在進(jìn)口風(fēng)速為2 m·s-1時(shí)測(cè)試了加熱功率為40、60.2、81、102、123、159 W 6 檔功率下的蒸氣腔熱管的啟動(dòng)特性。實(shí)驗(yàn)設(shè)定的加熱功率每隔45 min 變化一次，結(jié)果如圖5所示。從圖中可以看出，蒸氣腔熱管冷熱端溫度曲線始終處于上升階段，但與固定加熱功率不同的是其冷熱端溫升速度不一樣。固定加熱功率的冷熱端溫升在低功率下較緩而在高功率加熱下溫升趨勢(shì)較陡，但是在變加熱功率下冷熱端溫度的變化在每一階段其溫升趨勢(shì)基本一樣，沒(méi)有出現(xiàn)劇烈的波動(dòng)。這說(shuō)明在變功率的熱載荷下，蒸氣腔熱管能夠很好地傳遞熱量，不會(huì)出現(xiàn)較大的溫度波動(dòng)或者過(guò)高的局部溫度。

2.2 均溫特性研究

圖6為同樣測(cè)試條件下蒸氣腔熱管表面布點(diǎn)的溫度分布。測(cè)試點(diǎn)1～6 為蒸氣腔熱管蒸發(fā)端的溫度分布，測(cè)試點(diǎn)7～12 為蒸氣腔熱管冷凝端的溫度分布。從圖中可以看出兩種工質(zhì)的蒸氣腔熱管冷凝端的溫度分布都比較均勻，且蒸發(fā)端和冷凝端的溫差較小。這充分體現(xiàn)了金屬纖維氈蒸氣腔熱管具有良好的均溫性，能夠很好地解決電子器件局部熱點(diǎn)的問(wèn)題。

圖7為加熱功率187.6 W 時(shí)，不同冷卻風(fēng)速下兩種工質(zhì)的蒸氣腔熱管的蒸發(fā)端和冷凝端平均溫度的變化情況?？梢钥闯?，隨著冷卻風(fēng)速的增大，蒸氣腔熱管的蒸發(fā)端和冷凝端溫度均下降。蒸氣腔熱管冷熱端的溫差隨風(fēng)速的增大只有較小的降低，但是冷卻風(fēng)速在3 m·s-1以上時(shí)，工質(zhì)水的蒸氣腔熱管冷熱端溫差只有2.4℃左右。水工質(zhì)熱管的兩 端的溫差最大為8.13℃，丙酮熱管兩端的溫差最大為10.08℃?？梢钥闯鐾獠凯h(huán)境對(duì)工質(zhì)為水的蒸氣腔熱管冷熱端溫差有一定的影響，但對(duì)丙酮工質(zhì)而言影響較小。

圖6 蒸氣腔熱管的表面溫度分布Fig.6 Surface temperature distribution of vapor chamber heat pipe

圖7 不同風(fēng)速下蒸氣腔熱管的蒸發(fā)端和冷凝端溫度曲線Fig.7 Temperature curves of vapor chamber heat pipe evaporation and condensation under different wind speeds

圖8為冷卻風(fēng)速2 m·s-1時(shí)，兩種工質(zhì)蒸氣腔熱管在不同加熱功率下表面溫度的變化情況。從圖中可以看出隨著加熱功率的增大，蒸氣腔熱管的表面溫度均呈上升趨勢(shì)。工質(zhì)為水時(shí)蒸氣腔熱管上下表面溫差較小，最大達(dá)到9.28℃，最小為1.35℃。工質(zhì)為丙酮時(shí)上下表面的溫差較大，最大為12.53℃，最小為3.17℃。但工質(zhì)為水時(shí)蒸氣腔熱管整體溫度要比工質(zhì)為丙酮時(shí)高。

圖8 不同熱通量下兩種熱管的蒸發(fā)端和冷凝端溫度Fig.8 Temperature curves of vapor chamber heat pipe evaporation and condensation under different heating fluxes

為了能夠更直接觀察到蒸氣腔熱管冷凝端的溫度分布，實(shí)驗(yàn)中利用紅外熱像儀Mikroscan 7515對(duì)蒸氣腔熱管達(dá)到穩(wěn)定工作狀態(tài)時(shí)進(jìn)行拍攝。圖9與圖10為風(fēng)道風(fēng)速2 m·s-1時(shí)3 種不同熱通量下的丙酮與水蒸氣腔熱管冷端溫度分布圖，由圖中可以看出，兩種工質(zhì)的蒸氣腔熱管的冷凝端溫度分布都比較均勻，且隨著加熱功率的增加，蒸氣腔熱管冷凝端表面溫度上升。同時(shí)，水工質(zhì)的蒸氣腔熱管的平均溫度高于丙酮蒸氣腔熱管的平均溫度。金屬纖維氈蒸氣腔熱管的優(yōu)良均溫性為解決電子設(shè)備中局部熱點(diǎn)提供了有效的方法。

最后定量分析了兩種工質(zhì)的蒸氣腔熱管均溫性能，利用紅外熱像儀采集到的蒸氣腔熱管冷凝端表面的溫度數(shù)據(jù)，對(duì)各個(gè)加熱功率下數(shù)據(jù)進(jìn)行方差分析。表2為3 種不同功率下蒸氣腔熱管冷凝端溫度分布的方差值。由表中可以看出，加熱功率為60.2 W 時(shí)求得的方差值最小，當(dāng)加熱功率為144.9 W 時(shí) 方差值最大。方差值越小說(shuō)明蒸氣腔熱管表面的溫度分布越均勻。對(duì)比表中的數(shù)值可以看出，丙酮蒸氣腔熱管冷凝端的均溫性?xún)?yōu)于水蒸氣腔熱管。

圖9 丙酮工質(zhì)蒸氣腔冷凝端紅外溫度分布Fig.9 Surface temperature distribution of condenser in vapor chamber heat pipe with acetone

表2 蒸氣腔熱管冷凝端表面溫度方差值Table 2 Variance of vapor chamber heat pipe condenser surface temperature

3 結(jié) 論

圖10 水工質(zhì)蒸氣腔熱管冷凝端紅外溫度分布Fig.10 Surface temperature distribution of condenser in vapor chamber heat pipe with water

本文搭建了針對(duì)電子設(shè)備散熱用的金屬纖維氈蒸氣腔熱管的性能測(cè)試裝置，并對(duì)其進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，主要針對(duì)不同功率、不同風(fēng)速下蒸氣腔熱管的啟動(dòng)性能、均溫性能進(jìn)行研究。主要結(jié)論如下：

（1）不同熱通量下，兩種不同工質(zhì)的金屬纖維氈蒸氣腔熱管均能從環(huán)境溫度平穩(wěn)啟動(dòng)，啟動(dòng)時(shí)間約為3000 s；

（2）金屬纖維氈蒸氣腔熱管的等溫性能較好，水工質(zhì)蒸氣腔熱管冷熱端溫差小且最小溫差為 1.35℃，因此金屬纖維氈蒸氣腔熱管能夠很好地解決電子器件局部熱點(diǎn)的問(wèn)題；

（3）通過(guò)紅外熱像儀拍攝的蒸氣腔熱管冷凝端表面溫度分布可以看出，實(shí)驗(yàn)中丙酮蒸氣腔熱管的均溫特性?xún)?yōu)于工質(zhì)為水的蒸氣腔熱管。

[1]Sauciua I,Chrysler G,Mahajon R.Spreading in the heat sink base:phase change systems or solid metals [J].IEEE Trans.Compon.Pack.Technol.,2002 (25):621-628

[2]Dunn P D,Reay D A.Heat Pipes [M].4th ed.New York:Pergamon Press Ltd.,1994

[3]Koito Y,Imura H,Mochizuki M,et al.Theoretical study on heat transfer characteristics of a vapor chamber [J].Thermal Science and Engineering,2005,13 (1):23-30

[4]Koito Y,Imura H,Mochizuki M,et al.Fundamental investigations on heat transfer characteristics of heat sinks with a vapor chamber//Proc.7th Int.Heat Pipe Symposium [C].2003:247-251

[5]Lin C Y,Leong K C,Wong Y W,Tan F L.Performance study of flat plate heat pipe//Proceedings of the International Conference on Energy and Environment [C].Shanghai,1995:512-518

[6]Prasher R S.A simplified conduction based modeling scheme for design sensitivity study of thermal solution utilizing heat pipe and vapor chamber technology [J].Journal of Electronic Packaging,2003,125 (3):378-385

[7]Chen Y S,Chien K H,Wang C C,et al.Investigations of the thermal spreading effects of rectangular conduction plates and vapor chamber [J].Journal of Electronic Packaging,2007,129 (3):348-355

[8]Qi Xingming (豈興明),Su Junlin (蘇俊林) Jiao Jinyi (矯津毅).Heat transfer characteristics of miniflat heat pipe [J].Journal of Jilin University:Engineering and Technology Edition(吉林大學(xué)學(xué)報(bào):工學(xué)版),2006,36 (5):669-672 [9]Boukhanouf R,Haddad A,North M T,Buffone C.Experimental investigation of a flat plate heat pipe performance using IR thermal imaging camera [J].Applied Thermal Engineering,2006,26 (17/18):2148-2156

[10]Ogushi T,Murakami M,Masumoto H,et al.Study on newly developed flat plate type heat pipe heat sink [J].ASME HTD,1988,96:517-521

[11]Xuan Y,Hong Y,Li Q.Investigation on transient behaviors of flat plate heat pipes [J].Experimental Thermal and Fluid Science,2003,28 (2):249-255

[12]Hsieh S S,Lee R Y,Shyu J,et al.Analytical solution of thermal resistance of vapor chamber heat sink with and without pillar [J].Energy Conversion and Management,2007,48 (10):2708-2717

[13]Hsieh S S,Lee R Y,Shyu J,et al.Thermal performance of flat vapor chamber heat spreader [J].Energy Conversion and Management,2008,49 (6):1774-1784

[14]Bai Tong (白穜),Zhang Hong (張紅),Xu Hui (許輝),Ding Li (丁莉).Performance study on a novel combined wick of heat pipe [J].Proceedings of CSEE(中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)),2011,31 (23):79-85

[15]Moffat R J.Using uncertainty analysis in the planning of an experiment [J].Journal of Fluids Engineering,1985,107 (2):173-179