梁長球，李 勇，陳韓蔭

（1.華南理工大學(xué) 機(jī)械與汽車工程學(xué)院，廣東 廣州510640；2.肇慶新創(chuàng)意傳熱科技有限公司，廣東 肇慶526238）

隨著5G技術(shù)的發(fā)展，微電子芯片熱流密度不斷增加，而有效散熱空間又不斷減小，因此對導(dǎo)熱元件的要求也越來越高。超薄微熱管具有厚度薄，尺寸小，導(dǎo)熱效率高，可靠性高，無需額外動(dòng)力驅(qū)動(dòng)等特點(diǎn)[1-2]，可以滿足5G手機(jī)、超薄筆記本等電子產(chǎn)品的散熱要求，具有廣闊的市場前景[3-4]。隨著現(xiàn)在手機(jī)越來越薄，作為手機(jī)的散熱元件，熱管也要求越來越薄，以適應(yīng)電子設(shè)備不斷小型化、便攜化和輕薄化的發(fā)展[5-6，11]。

目前為止，對壓扁型超薄微熱管的研究主要集中在不同吸液芯結(jié)構(gòu)、不同壓扁厚度、不同注液率對熱管傳熱性能影響規(guī)律上，而且主要研究的是常規(guī)管的二次除氣工藝，對超薄微熱管的二次除氣工藝研究甚少，為探明二次除氣與超薄管傳熱性能之間的耦合規(guī)律，很有必要開展本文的實(shí)驗(yàn)研究。在國內(nèi)，何柏林[7]等研究二次除氣工藝參數(shù)對微熱管啟動(dòng)和均溫性能的影響，結(jié)果表明隨著加熱時(shí)間和加熱溫度的增大，微熱管的啟動(dòng)性能有所提高。陳鎮(zhèn)宇[8]研究二次除氣對不同直徑微熱管性能的影響，結(jié)果表明沒有經(jīng)過二次除氣的熱管，其性能會大幅度下降。陳偉彬[9]研究了二次除氣工藝對微熱管等溫性能的影響，結(jié)果表明適當(dāng)提高加熱溫度和延長加熱時(shí)間可以改良微熱管的等溫性能，但存在一個(gè)極限。Yong Tang等[10]研究了二次除氣對溝槽微熱管均溫性能的影響，認(rèn)為經(jīng)過二次除氣之后，冷凝端和蒸發(fā)端的溫差變得更小了。Yong Li等[11]研究了具有復(fù)合吸液芯的圓直管均溫性能，同樣的，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明二次除氣對具有復(fù)合吸液芯的圓直管的均溫性能具有顯著的影響，并且二次除氣可以減小冷凝端和蒸發(fā)端的熱阻；Ling等[12]研究了不凝性氣體對熱管傳熱性能的影響，發(fā)現(xiàn)不凝性氣體會使熱管冷凝端出現(xiàn)較大的溫差；Wang等[13]運(yùn)用數(shù)值模型分析了不凝性氣體對微熱管性能的影響規(guī)律，發(fā)現(xiàn)在極限功率下，不凝性氣體含量最小，蒸發(fā)與冷凝的溫差最小。

本文研究了不同注液率、二次除氣加熱時(shí)間和加熱溫度對超薄微熱管極限功率、蒸發(fā)冷凝熱阻的影響，為超薄微熱管的制造參數(shù)優(yōu)化和實(shí)際應(yīng)用提供理論指導(dǎo)。

1 超薄微熱管制造

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

超薄微熱管毛坯管為外徑4mm、內(nèi)徑3.84mm、長為126mm的無氧銅銅管，具體如表1所示。吸液芯采用14目絲網(wǎng)燒結(jié)而成。14目絲網(wǎng)孔隙率大約是60%，厚度大約是0.24mm。

表1 實(shí)驗(yàn)材料參數(shù)

1.2 實(shí)驗(yàn)熱管制造工藝

本文研究影響因子有注液率，二除加熱溫度，二除加熱時(shí)間。當(dāng)研究注液率時(shí)，采用二次除氣溫度為160℃，加熱時(shí)間為20S。研究加熱溫度時(shí)，注液率為115%，加熱時(shí)間為20S。研究加熱時(shí)間時(shí)，注液率為115%，加熱溫度為160℃。具體制造工藝步驟如下：（1）將絲網(wǎng)和銅管切好并清洗干凈，然后將銅管進(jìn)行縮尾和尾部點(diǎn)焊工藝。（2）將穿好絲網(wǎng)的銅管放進(jìn)燒結(jié)爐進(jìn)行燒結(jié)，燒結(jié)溫度為940℃左右，燒結(jié)時(shí)間4h左右，燒結(jié)完畢進(jìn)行打標(biāo)和退火工藝。（3）下一步將工質(zhì)注入銅管中，注液完畢進(jìn)行抽真空工藝。（4）超薄微熱管經(jīng)過一次抽真空除氣之后，管內(nèi)的真空度已經(jīng)較高，但是一次除氣過程中會導(dǎo)致內(nèi)部工質(zhì)去離子水結(jié)成冰塊，結(jié)果造成不凝性氣體殘留在內(nèi)部，包括氫氣等。這些不凝性氣體不會參與熱循環(huán)傳遞熱量，反而會占據(jù)蒸汽通道，影響工質(zhì)蒸汽的流通，降低熱管傳熱性能。為了提高熱管性能，必須去掉這些不凝性氣體，而二次除氣工藝可以實(shí)現(xiàn)這一目的。一次除氣結(jié)束之后要盡快進(jìn)行二次除氣工藝，二次除氣之后馬上進(jìn)行頭部焊接工藝。（5）之后對熱管進(jìn)行老化處理，為下一步的壓扁工藝做好準(zhǔn)備。（6）最后進(jìn)行壓扁和表面處理。制造樣品如圖1所示。

2 測試系統(tǒng)

2.1 實(shí)驗(yàn)裝置

測試系統(tǒng)采用水冷測試機(jī)模式，主要包括加熱模塊，冷凝模塊，數(shù)據(jù)采集模塊，如圖2所示。加熱模塊具體部件：用加熱陶瓷片模仿芯片加熱工況，通過程控電源控制加熱功率P的大小，其精度可達(dá)0.01W。冷凝模塊主要包括：冷卻銅塊內(nèi)部設(shè)計(jì)有水冷通道，使恒溫水（水溫為50℃，流量為10L/h）可以在其內(nèi)部循環(huán)散熱；恒溫水由恒溫水箱提供，其控制精度為0.1℃。銅塊與熱管接觸部分均涂上導(dǎo)熱膏，降低熱管和銅塊的接觸熱阻[14]。熱管的蒸發(fā)端，絕熱段和冷凝端各分布2個(gè)熱電偶測溫點(diǎn)，分別記為T1、T2、T3、T4、T5、T6，這6個(gè)測溫點(diǎn)將溫度數(shù)據(jù)傳輸?shù)讲杉?，?jì)算機(jī)讀取，顯示記錄數(shù)據(jù)，其測試精度為±0.5℃，滿足實(shí)驗(yàn)要求，所用采集卡型號為NI9213。

測試過程加熱功率P先從1W開始，等待5分鐘左右待熱管達(dá)到平衡狀態(tài)，即蒸發(fā)冷凝端溫度變化幅值在30S內(nèi)保持0.5℃以下，則認(rèn)為熱管在此功率下可以達(dá)到平衡狀態(tài)，記錄此時(shí)的功率和溫度；然后繼續(xù)增加輸入功率，每次增加0.5W，直到蒸發(fā)冷凝端溫差超過5℃時(shí)（熱管達(dá)到傳熱極限）停止測試。重復(fù)測試三次，取所有數(shù)據(jù)的平均值，以減小誤差和提高測試精度，保證實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。

蒸發(fā)端平均溫度與冷凝端平均溫度之差△T為

實(shí)驗(yàn)熱管蒸發(fā)熱阻和冷凝熱阻分別為

總熱阻包括蒸發(fā)熱阻和冷凝熱阻，即

2.2 相對測量誤差分析

實(shí)驗(yàn)誤差主要來自測量溫度和輸入功率的誤差。功率和溫度的最大測量誤差是0.01W和0.5℃。根據(jù)Mcclintockfa[15]提出的測試誤差理論，相對測量誤差可采用如下公式：

圖1 實(shí)驗(yàn)熱管樣品圖

圖2 測試系統(tǒng)原理圖（單位：mm）

式中，e（R）為超薄微熱管熱阻的測量誤差，eki是每個(gè)環(huán)節(jié)ki的最大測量誤差。本實(shí)驗(yàn)中加熱功率和測量溫度的最大誤差為0.01W和0.1℃。相對測量誤差分布如圖3所示，其值較小，且隨著測試功率的增大而減小，可滿足實(shí)驗(yàn)精度要求。

圖3 超薄微熱管熱阻的相對測量誤差

2.3 不確定度分析

由于測量誤差的存在，被測量值有一個(gè)不能肯定的程度，不確定度就是表示這個(gè)程度的值。不確定度可以用A類評定和B類評定來評定。A類評定按照測量值的統(tǒng)計(jì)分布計(jì)算，B類按照實(shí)驗(yàn)儀器的經(jīng)驗(yàn)誤差計(jì)算。影響熱阻測量值不確定度的影響因素主要有熱電偶測量引起的不確定度分量△A1，采集卡示值引起的不確定度△B1，程控電源引起的不確定度△B2。若第i個(gè)測溫點(diǎn)的2個(gè)測量值為Ti1、Ti2，其平均值為則△A1為

采集卡示值誤差范圍△卡為±0.02℃，取均勻分布，則采集卡示值誤差引起的不確定度分量△B1為

程控電源穩(wěn)定度△源為0.01W，取均勻分布，則其引起的不確定度分量△B2為

總不確定度U為

自由度v為

以本實(shí)驗(yàn)結(jié)果中最大熱阻為例，采用展伸不確定度評定，則測量結(jié)果最終評定R=（0.154±0.078）℃/W，置信概率為94%，v=3。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 超薄微熱管的蒸發(fā)熱阻分析

從圖4-6可以看出，蒸發(fā)熱阻都隨著加熱功率的增大而增大，當(dāng)加熱功率達(dá)到極限功率時(shí)，蒸發(fā)熱阻會產(chǎn)生突變。因?yàn)榇藭r(shí)蒸發(fā)端沒有足夠多的工質(zhì)回流形成氣液相變傳熱，純靠熱管銅壁傳熱，散熱效率低下，蒸發(fā)端溫差陡增。此外，從圖4看出注液率下的蒸發(fā)熱阻變化幅度較大，但是可以看到，115%注液率的蒸發(fā)熱阻變化比較平穩(wěn)，并且極限功率可以達(dá)到4.0W。原因是在低加熱功率下，115%的注液率可以使熱管內(nèi)部氣液相變循環(huán)順暢，有足夠多的工質(zhì)參與氣液相變循環(huán)，熱管不至于產(chǎn)生燒干現(xiàn)象。較低注液率下，熱管沒有足夠多的工質(zhì)參與熱循環(huán)，導(dǎo)致熱管在較高的輸入功率下容易發(fā)生燒干現(xiàn)象，相反的，在較高注液率下，熱管內(nèi)部會有多余工質(zhì)阻塞蒸汽腔通道，同樣會減弱熱管的傳熱性能，因此必須設(shè)置一個(gè)最佳注液率，使熱管的傳熱性能可以達(dá)到最強(qiáng)。加熱時(shí)間和加熱溫度對蒸發(fā)熱阻影響較小，當(dāng)加熱功率增大時(shí)，蒸發(fā)熱阻變化較小，其中當(dāng)加熱時(shí)間和加熱溫度分別為20S和160℃時(shí)，蒸發(fā)熱阻變化最小。加熱時(shí)間和加熱溫度的大小決定了熱管內(nèi)部不凝性氣體能否完全去除，同時(shí)影響到內(nèi)部工質(zhì)的封存量。當(dāng)加熱時(shí)間和加熱溫度較小時(shí)，蒸發(fā)熱阻增速較快，因?yàn)榇藭r(shí)不凝性氣體去除不干凈，占據(jù)了一定蒸汽腔體積，阻礙了蒸汽工質(zhì)流動(dòng)；當(dāng)加熱時(shí)間和加熱溫度較大時(shí)，蒸發(fā)熱阻增速較慢，因?yàn)榇藭r(shí)不凝性氣體去除比較干凈，蒸汽工質(zhì)流動(dòng)效率比較高；加熱時(shí)間和加熱溫度過大時(shí)，會使一部分工質(zhì)損失，導(dǎo)致熱管散熱性能下降。

3.2 超薄微熱管的冷凝熱阻分析

如圖7-9所示，展示了超薄微熱管在不同注液率，二次除氣加熱溫度，二次除氣加熱時(shí)間下冷凝熱阻隨加熱功率的變化情況。觀察圖7可知，在整體上，隨著加熱功率的增加，冷凝熱阻也隨之增加，在4.0W的輸入功率下，115%注液率的冷凝熱阻達(dá)到最大值0.148℃/W。這是因?yàn)槌湟郝瘦^低時(shí)，工質(zhì)流動(dòng)過程中遇到的阻力較小，循環(huán)效率比較高，液體工質(zhì)的回流速度比冷凝端液體工質(zhì)的液化速度快，沒有工質(zhì)在冷凝端積聚，冷凝端的傳熱能力沒有受到多余工質(zhì)的影響。觀察圖8可知，在不同二次除氣加熱溫度下，160℃時(shí)冷凝熱阻變化幅度比較小，并且在160℃時(shí)極限傳熱功率能達(dá)到4.0W。140℃時(shí)極限傳熱功率也可以達(dá)到4.0W，但是其變化幅度和熱阻值明顯比160℃的大。從圖9可以看出，當(dāng)加熱時(shí)間是20S，冷凝端的熱阻變化不大，最小值為0.06℃/W，最大值為0.073℃/W。當(dāng)加熱功率較低時(shí)，各組的冷凝熱阻都變化不大，當(dāng)加熱功率突破極限功率之后，冷凝端熱阻會發(fā)生明顯增大，加熱時(shí)間為5S時(shí)變化最大，從最低的0.04℃/W增大到0.148℃/W。主要原因在于，5S時(shí)熱管內(nèi)部還存在著大量的不凝性氣體，氣化工質(zhì)流動(dòng)受到非常大的阻力，當(dāng)處于極限功率時(shí)，有更多的工質(zhì)蒸發(fā)吸熱，熱管溫度會快速上升，造成冷凝熱阻急劇增大。

圖4 不同注液率下蒸發(fā)端熱阻隨功率變化情況

圖5 不同加熱時(shí)間下蒸發(fā)熱阻隨功率變化情況

圖6 不同加熱溫度下蒸發(fā)熱阻隨功率變化情況

圖7 不同注液率下冷凝熱阻隨功率變化情況

3.3 超薄微熱管的傳熱極限分析

從圖10可以看出，最佳加熱時(shí)間是20S，最大傳熱功率是4.0W。當(dāng)加熱時(shí)間小于最佳加熱時(shí)間時(shí)，傳熱功率隨加熱時(shí)間的增大而增大；當(dāng)加熱時(shí)間大于最佳加熱時(shí)間時(shí)，傳熱功率隨加熱時(shí)間的增大而減小然后保持不變。其原因是：當(dāng)加熱時(shí)間比較小時(shí)，不足以完全除去熱管內(nèi)部的不凝性氣體，這些不凝性氣體會壓縮氣液循環(huán)通道，導(dǎo)致熱管有效傳熱長度變短，限制了熱管傳熱功率的增大。當(dāng)加熱時(shí)間較大時(shí)，雖然不凝性氣體完全去除可以得到有效保證，但是也會使一部分工質(zhì)也被除去，導(dǎo)致工質(zhì)封存量減小，從而限制了傳熱功率的進(jìn)一步增大。總之，過小或過大的加熱時(shí)間都不利于超薄微熱管傳熱功率的最大化。

圖8 不同加熱溫度下冷凝熱阻隨功率變化情況

圖9 不同加熱時(shí)間下冷凝熱阻隨功率變化情況

圖10 加熱時(shí)間與極限功率的關(guān)系

圖11 加熱溫度與極限功率的關(guān)系

由圖11可知，超薄微熱管的二次除氣最佳加熱溫度是140℃和160℃，當(dāng)加熱溫度低于最佳加熱溫度時(shí)，極限傳熱功率隨著加熱溫度的提高而增大，當(dāng)加熱溫度高于最佳加熱溫度時(shí)，極限傳熱功率會降低。這是因?yàn)槎纬龤饧訜釡囟仍礁撸∥峁軆?nèi)不凝性氣體越少。當(dāng)加熱溫度比較高時(shí)，氣態(tài)工質(zhì)的壓強(qiáng)也越大，不凝性氣體體積受壓后變小，此時(shí)不凝性氣體的體積小于縮徑段，不凝性氣體能基本去除。而當(dāng)加熱溫度過高時(shí)，氣態(tài)工質(zhì)壓強(qiáng)進(jìn)一步增大，會進(jìn)一步壓縮不凝性氣體，導(dǎo)致會有一部分工質(zhì)積聚在縮徑段，把不凝性氣體去除的同時(shí)也會把一部分工質(zhì)除去，導(dǎo)致工質(zhì)封存量減小，限制了極限傳熱功率的進(jìn)一步提升。

從圖12可以看出，超薄微熱管的最佳充液率是115%，當(dāng)充液率小于最佳充液率時(shí)，極限傳熱功率隨著注液率的增加而增加，當(dāng)充液率大于最佳充液率時(shí)，極限傳熱功率會減小。因?yàn)樵谳^低的充液率時(shí)，工質(zhì)體積都小于吸液芯孔隙體積，吸液芯表面無多余液態(tài)工質(zhì)，當(dāng)功率過大時(shí)，超薄微熱管內(nèi)部會發(fā)生“燒干”現(xiàn)象。工質(zhì)量的不足限制了極限傳熱功率的增大。相反，當(dāng)工質(zhì)過多時(shí)，超薄微熱管發(fā)生氣液相變傳熱循環(huán)時(shí)會有工質(zhì)剩余，剩余的工質(zhì)起不到有效傳熱的作用，反而會阻塞蒸汽腔通道，使熱管有效傳熱段縮短，限制了極限傳熱功率的提高。

圖12 注液率與極限功率的關(guān)系

4 結(jié)論

文中研究了不同注液率，加熱時(shí)間，加熱溫度對超薄微熱管傳熱性能的影響規(guī)律，優(yōu)化了超薄微熱管的制造工藝參數(shù)，為超薄微熱管的實(shí)際制造提供理論指導(dǎo)。最后得出以下結(jié)論：

（1）注液率的變化對超薄微熱管傳熱性能的影響表現(xiàn)為先增大后減小，存在一個(gè)最佳注液率。當(dāng)注液率為115%，超薄微熱管的極限傳熱功率可以達(dá)到4.0W，合適的注液率可以使蒸汽腔通道內(nèi)氣態(tài)工質(zhì)流動(dòng)遇到的阻力最小又不會導(dǎo)致熱管燒干。

（2）控制注液率和加熱溫度不變時(shí)，隨著加熱時(shí)間的增大，不凝性氣體可以完全去除，不過也會導(dǎo)致一部分工質(zhì)的損失，導(dǎo)致極限傳熱功率的下降，蒸發(fā)熱阻的提高。當(dāng)加熱時(shí)間過短時(shí)，不凝性氣體沒有完全去除，會降低熱管的傳熱性能。當(dāng)加熱時(shí)間為20S時(shí)，極限傳熱功率為4.0W，此時(shí)熱管的傳熱性能最好。

（3）保持注液率和加熱時(shí)間不變時(shí)，加熱溫度對超薄微熱管傳熱性能的整體表現(xiàn)為：隨著加熱溫度的增加，熱管性能得到一定程度的提升，但是冷凝端熱阻也會增加。加熱溫度進(jìn)一步增大對不凝性氣體的完全去除影響甚微，反而會導(dǎo)致一部分工質(zhì)的損失，導(dǎo)致工質(zhì)封存量減小，限制了熱管極限傳熱功率的進(jìn)一步的提升。