錢華俊，韓爽

(1.江蘇海外集團國際技術(shù)工程有限公司，南京 210005；2.北京交通大學(xué)機械與電子控制程學(xué)院熱能工程研究所，北京 100044)

隨著各種技術(shù)裝備的集成化，設(shè)備的熱流密度正在增加，高熱流密度給集成設(shè)備帶來了很大危害，因此，有效的熱管理方式已成為近年來學(xué)者們關(guān)注的熱點[1]。作為一種高效的散熱設(shè)備，均熱板應(yīng)用廣泛。均熱板由殼體、吸液芯和蒸汽腔等三部分組成，內(nèi)部含有相變傳熱工質(zhì)，均熱板工作結(jié)構(gòu)簡圖如圖1所示。均熱板的工作循環(huán)原理為：1)工質(zhì)在蒸發(fā)端吸收熱源的熱量并蒸發(fā)；2)蒸汽在壓差作用下流向冷凝端；3)蒸汽在冷凝端經(jīng)外部強制對流方式散熱并冷凝；4)冷凝端液體在毛細(xì)壓力作用下重返蒸發(fā)端進行工作循環(huán)。

圖1 均熱板工作結(jié)構(gòu)簡圖

在制造均熱板的過程中，殼體材料、吸液芯類型以及工質(zhì)的選擇是最重要的三個部分。

殼體材料的選擇主要考慮殼體材料與工質(zhì)的相容性、殼體導(dǎo)熱性及浸潤性等。若均熱板內(nèi)殼體材料與工質(zhì)不相容，會發(fā)生化學(xué)反應(yīng)或物理變化，產(chǎn)生不凝性氣體，使工質(zhì)熱物性惡化，以及殼體材料被腐蝕和溶解，這些都會降低工質(zhì)相變傳熱及殼體材料的傳熱效果，甚至?xí)?dǎo)致均熱板的失效。一些常用的工質(zhì)及其相容的殼體材料如表1 所示。

表1 一些常用的工質(zhì)及其相容的殼體材料

均熱板的工質(zhì)是均熱板相變傳熱的主要載體，在滿足工質(zhì)與管殼材料、吸液芯相容的同時，還須綜合考慮工質(zhì)的熱穩(wěn)定性、工作溫度下的飽和蒸汽壓、導(dǎo)熱系數(shù)、熔點、沸點、潤濕性、經(jīng)濟性、毒性和環(huán)境污染性等其它綜合性能。一些常用工質(zhì)的熱物性如表2 所示。

表2 一些常用工質(zhì)的熱物性

吸液芯需綜合考慮毛細(xì)壓力、蒸發(fā)傳熱性能、滲透性和流動阻力等。常見的吸液芯包括燒結(jié)型吸液芯、溝槽吸液芯以及復(fù)合芯。溝槽吸液芯結(jié)構(gòu)如圖2(a)所示。溝槽吸液芯具有高滲透性，而毛細(xì)壓力相對較小。燒結(jié)型吸液芯毛細(xì)壓力大和蒸發(fā)傳熱性能好，但滲透性小、流動阻力大。復(fù)合芯的成功開發(fā)很好地解決了毛細(xì)壓力和滲透性的問題，如包括燒結(jié)粉末網(wǎng)、凹槽網(wǎng)和燒結(jié)粉末槽復(fù)合芯等。燒結(jié)型均熱板常見的吸液芯有粉末燒結(jié)、泡沫銅和絲網(wǎng)[2](如圖2(b)～(d))等。

圖2 吸液芯結(jié)構(gòu)

1 基于均熱板的電子設(shè)備熱管理研究

目前基于均熱板的電子設(shè)備熱管理主要包括應(yīng)用于計算機和微電子設(shè)備的均熱板熱性能實驗、數(shù)值模擬及理論研究。

1.1 基于均熱板的計算機熱管理研究

近年來，將均熱板應(yīng)用于計算機熱管理的可行性研究逐漸增多，Mochizuki[3]等提供有關(guān)使用熱管和均熱板作為傳熱設(shè)備的各種熱管理解決方案的見解。利用氣液相變來散熱是成為擴展高性能計算機的空氣冷卻極限能力的關(guān)鍵因素。除了計算機的熱管理外，還考慮使用熱管，以通過減少溫室氣體排放來防止全球變暖和環(huán)境影響的全球危機。Wuttijumnong[4]等概述了使用熱管和均熱板冷卻高功率筆記本電腦的各種冷卻方案。 Wu[5]等將均熱板應(yīng)用于高密度刀片服務(wù)器(HDS)熱管理中。與常規(guī)散熱器的性能進行比較，提出了將均熱板用于其他高端應(yīng)用的建議。Phan[6]等通過使用兩相微通道均熱板來提高超級計算機的高性能處理器和集成散熱器(HIS)之間的熱擴散阻力。微通道均熱板的結(jié)構(gòu)被設(shè)計成利用短距離內(nèi)的高導(dǎo)熱性和較長距離內(nèi)的高速蒸汽擴散的組合。Ma[7]等將壓電制動器(MFPA)的多風(fēng)扇系統(tǒng)與均熱板集成在一起。該集成系統(tǒng)被嵌入到微計算機中進行熱管理。實驗結(jié)果分析表明，隨著熱輸入功率的增加，所有型號的熱阻均減小。

利用實驗方法研究不同工質(zhì)的均熱板用于計算機的散熱能力，以及熱源對均熱板熱性能的影響。Hachiya[8]等研究了使用有機制冷劑代替水作為工質(zhì)的增強均熱板，并用于圖形處理器(GPU)散熱。并且已經(jīng)確認(rèn)，通過利用制冷劑可以提高GPU的熱流密度下的均熱板蒸發(fā)傳熱系數(shù)。Naphon[9]等用R-141b制冷劑作為工質(zhì)的均熱板冷卻硬盤驅(qū)動器。發(fā)現(xiàn)均熱板冷卻技術(shù)對硬盤驅(qū)動器的冷卻具有顯著影響。這項研究結(jié)果對于有效設(shè)計個人計算機或電子設(shè)備的冷卻系統(tǒng)以增強冷卻性能具有重要的技術(shù)意義。Naphon[10]等對用于冷卻個人計算機的計算機處理單元的均熱板進行冷卻的實驗研究，用于冷卻計算機的均熱板系統(tǒng)如圖3所示。在PC的實際運行條件下，用去離子水作為工質(zhì)的均熱板進行測試。發(fā)現(xiàn)均熱板冷卻技術(shù)對CPU的冷卻具有顯著影響。

圖3 用于冷卻計算機的均熱板系統(tǒng)

Liu[11]等發(fā)明了一種用于筆記本電腦散熱的反重力平板熱管。實驗分析研究了熱源位置對反重力平板熱管溫度均勻性的影響。在不同熱源位置(六個位置)、不同熱輸入功率和不同充液率的條件下分析了反重力平板熱管的溫度均勻性。結(jié)果表明反重力均熱板可以滿足筆記本電腦的散熱要求。

采用兩相流的數(shù)值模擬研究方法對計算機熱管理中均熱板的散熱能力進行研究。Parhizi[12]等研究用于多芯片微服務(wù)器模塊的熱管理的均熱板。建立了捕獲均熱板中兩相流的數(shù)值模擬模型，以分析各種參數(shù)對均熱板性能的影響。研究結(jié)果對微服務(wù)器芯片的兩相冷卻設(shè)計具有十分重要的意義。

1.2 基于均熱板的微電子設(shè)備熱管理研究

基于均熱板的微電子設(shè)備熱管理中，包括對微電子設(shè)備熱管理中均熱板的熱性能實驗測試、理論研究以及數(shù)值模擬研究。在均熱板的實驗測試中，將均熱板與銅板、鋁板的散熱能力進行對比。Nikmehr[13]等制造了兩個均熱板，以冷卻大功率印刷電路板。Hu[14]等開發(fā)了一個小型均熱板來解決高功率電子封裝中的熱點問題，用于高功率電子封裝散熱的均熱板如圖4所示。實驗結(jié)果表明，均勻板熱阻低，溫度均勻性良好。Obata[15]等究分析了嵌入散熱器底部的均熱板，以用于微電子的熱管理。研究結(jié)果表明，均熱板能夠穩(wěn)定工作，并能保持較低的工作溫度。Wang[16]等研究了配備固態(tài)銅或均熱板(VC)作為散熱器和鋁填充膠或In焊料作為熱界面材料(TIM)的電路板高性能板級倒裝芯片球柵陣列封裝的熱性能。結(jié)果表明，通過將TIM從鋁填充膠切換為In焊料，可顯著提高熱性能。而使用VC代替固態(tài)Cu散熱器時，可觀察到熱性能的提高。

圖4 用于高功率電子封裝散熱的均熱板

Bose[17]等通過實驗和理論研究了均熱板的傳熱性能及其在冷卻電路板上的功率晶體管中的有效性。并將實驗結(jié)果與ANSYS數(shù)值模擬結(jié)果進行比較。Yu[18]等對基于均熱板(VC)的絕緣柵雙極型晶體管(IGBT)模塊和兩個基于銅板的IGBT模塊進行了實驗測量和熱建模，用于IGBT散熱的均熱板如圖5所示。實驗數(shù)據(jù)表明，基于VC的IGBT模塊的熱阻隨著IGBT的熱負(fù)荷的增加而大大降低。在熱建模中VC的兩相流熱模型簡化為單相熱模型。另外，還為基于VC的IGBT模塊構(gòu)建了一個熱阻模型，熱建模模擬結(jié)果與實驗結(jié)果吻合良好。

圖5 用于IGBT散熱的均熱板

2 基于均熱板的電子元器件熱管理研究

基于均熱板的電子元器件熱管理研究基本都是針對發(fā)光二極管(LED)的熱管理進行研究，主要包括實驗及模擬研究兩部分。

在均熱板的LED熱管理中，主要是對均熱板的熱性能進行實驗分析，Kim[19]等對縫隙式均熱板熱管(CVCHP)進行實驗分析，總體結(jié)果表明，在冷卻大功率LED封裝時，散熱效果更好。Huang[20]等通過實驗研究了自然對流條件下應(yīng)用于大功率發(fā)光二極管的均熱板模塊的熱性能。這為解決大功率發(fā)光二極管的散熱問題提供了一種好的解決方案。Ju[21]等開發(fā)出了結(jié)合CTE量身定制的外殼體和混合吸液芯的均熱板，可用于激光二極管陣列的熱管理中。Ong[22]等利用熱電(TE)作熱泵，將熱量從冷端傳遞到熱端。并研究評估了均熱板(VC)和TE結(jié)合用于LED熱管理的性能。Wang[23]等發(fā)現(xiàn)LED均熱板基板的熱性能是LED銅基和鋁基板的熱性能的許多倍。而且，基于LED均熱板成功地解決了50 W大功率LED的熱點問題?；贚ED的均熱板在5 W以上具有最佳的熱性能。Huang[24]等介紹了一種新穎的均熱板技術(shù)，來解決跨LED陣列的模塊結(jié)溫不均勻、LED陣列的工作溫度不均勻和蓄熱導(dǎo)致工作溫度升高的問題。

在實驗測試中，更多集中在制造新型吸液芯及工質(zhì)的均熱板用于LED散熱，Chen[25]等研究了應(yīng)用于LED散熱的帶有放射狀多動脈折返微通道的均熱板，應(yīng)用于LED散熱的均熱板如圖6所示。Jian[26]等研究了專門為摩托車LED燈設(shè)計的T形均熱板的工質(zhì)的熱性能和循環(huán)特性。結(jié)果表明，熱負(fù)荷和冷卻條件都對均熱板的熱性能影響很大。Lu[27]等提出了一種三維均熱板(3D VC)，以解決汽車前照燈的散熱問題。實驗結(jié)果表明，3D VC具有良好的溫度均勻性，并且在50 W熱負(fù)荷下3D VC的最小熱阻為0.125 K/W。Luo[28]等設(shè)計和制造用于發(fā)光二極管(LED)的微均熱板(MVC)，以提高散熱效率和可靠性。實驗結(jié)果證明，吸液芯結(jié)構(gòu)對MVC的傳熱能力有重要影響。Tang[29]等開發(fā)了帶有均熱板的集成散熱器(IHSVC)，用于大功率發(fā)光二極管(LED)的熱管理。吸液芯是平行和正交的微槽，這些槽是使用微銑削方法制成的。實驗結(jié)果表明，使用IHSVC單元，大功率LED的性能良好。Wang[30]等實驗研究了填充有Al2O3納米流體的均熱板應(yīng)用于高功率發(fā)光二極管(LED)的熱管理。實驗結(jié)果表明，均熱板的總熱阻更低。

圖6 應(yīng)用于LED散熱的均熱板

有極少數(shù)學(xué)者采用數(shù)值模擬方法對均熱板的散熱能力進行研究。You[31]等對新型大功率LED散熱設(shè)備進行了設(shè)計與分析，它由均熱板，熱管陣列和散熱片組成。使用專業(yè)熱分析軟件Flotherm進行仿真，以計算其傳輸過程，仿真結(jié)果表明，該設(shè)計具有更好的散熱能力。

3 基于均熱板的電動汽車熱管理研究

基于均熱板的電動汽車熱管理中，主要包括利用實驗方法研究電動汽車的電池?zé)峁芾碇芯鶡岚宓纳崮芰?。Gou[32]等探索了新型3D均熱板(3D VC)滿足電動汽車(EV)電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)(BTMS)能源利用需求的可行性。與常規(guī)均熱板(VC)的扁平形狀相比，準(zhǔn)備的3D VC由三個相互連接但非共面的腔室組成，應(yīng)用于電動汽車電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)的均熱板如圖7所示。實驗結(jié)果表明，具有較高充液率(120%)的3D VC表現(xiàn)更好，尤其是在高加熱功率下。Liu[33]等開發(fā)了一種基于均熱板結(jié)合翅片結(jié)構(gòu)的圓柱形鋰離子電池組熱管理系統(tǒng)。進行了一組系統(tǒng)在25 ℃的環(huán)境溫度和不同放電速率(2C，3C，5C)下的溫度控制性能的實驗。隨后，研究和分析了散熱面積、流量和冷凝方式(強制冷卻和水冷卻)對系統(tǒng)冷卻性能的影響。結(jié)果表明，將均熱板與翅片結(jié)構(gòu)結(jié)合使用是解決鋰離子電池組散熱的可行解決方案。丹聃[34]等采用均熱板作為電池?zé)峁芾淼膫鳠岵考⒀芯苛司鶡岚逶诓煌姵禺a(chǎn)熱功率條件下的傳熱性能和均溫性，同時對均熱板擴散熱阻及導(dǎo)熱系數(shù)進行了理論計算。

有少數(shù)的研究是針對電動汽車熱管理的數(shù)值模擬。Dan[35]等設(shè)計了配備微型熱管陣列(MHPA)的鋰離子電池組的熱管理系統(tǒng)。通過將仿真結(jié)果與穩(wěn)態(tài)和動態(tài)及運行條件下的實驗數(shù)據(jù)進行比較，驗證了所提模型的準(zhǔn)確性。仿真結(jié)果表明，基于MHPA的鋰離子電池?zé)峁芾砜梢蕴峁┛焖夙憫?yīng)，以確保在快速變化的工作條件下的溫度穩(wěn)定性。

圖7 應(yīng)用于電動汽車電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)的均熱板

4 基于均熱板的其它應(yīng)用熱管理研究

在均熱板的其它應(yīng)用上，涉及了能源、工業(yè)生產(chǎn)、電器及軍事應(yīng)用等多個領(lǐng)域。

Shittu[36]等研究提出了帶有和不帶有平板熱管的光伏-熱電混合系統(tǒng)的數(shù)值研究。對僅光伏，光伏熱電和光伏熱電熱管系統(tǒng)如圖8所示，并對它們的電氣性能進行了詳細(xì)的比較分析。利用COMSOL 5.4 Multiphysics軟件分析了太陽能集中比、環(huán)境溫度、風(fēng)速和熱電發(fā)電機的冷側(cè)溫度對僅光伏和光伏-熱電混合系統(tǒng)的效率和功率輸出的影響。

Lertsatitthanakorn[37]等研究了均熱板在改善熱電(TE)空氣冷卻系統(tǒng)的冷卻性能方面的潛在應(yīng)用。將實驗數(shù)據(jù)與常規(guī)的板翅式散熱器的相應(yīng)數(shù)據(jù)進行了比較。證明了使用均熱板可以將性能系數(shù)(COP)提高很多。Go[38]等為了利用生化流體樣品的熱循環(huán)，設(shè)計制造了具有較大表面積的等溫溫度源，并通過實驗評估了其熱特性。通過使用均熱板實現(xiàn)了大表面積等溫溫度源。得出的結(jié)論是，所提供的等溫溫度源無法在生物樣品流體內(nèi)部產(chǎn)生溫度梯度。Hasnan[39]等比較了均熱板和BeCu插件提高生產(chǎn)塑料產(chǎn)品時的冷卻速率并提供均勻溫度分布的能力。實驗是在熱量輸入，冷卻溫度和冷卻速率變化的情況下進行的。均熱板提供了一種有效的方法來加快塑料產(chǎn)品的注射成型中的傳熱過程，與使用BeCu插件的傳統(tǒng)冷卻方法相比，傳熱高達(dá)67%。

圖8 光伏熱電和廣伏電熱管系統(tǒng)圖

Limkaisang[40]等設(shè)計和制造了相等尺寸的傳統(tǒng)的電飯煲(CRC)和均熱板電飯煲(VRC)。比較了CRC和VRC的溫度分布特性和熱效率。結(jié)果表明，電飯鍋中水的溫度分布表現(xiàn)出明顯不同的特征。VRC的熱效率比CRC高約5.57%。

李濤[41]等將鋁制均熱板應(yīng)用于雷達(dá)散熱，熱源為雷達(dá)的中真實的熱源分布，實驗結(jié)果表明均熱板為大功率電子設(shè)備散熱提供了新的解決方向。

5 鋁制均熱板熱性能測試

5.1 實驗系統(tǒng)

測試系統(tǒng)由數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、實驗系統(tǒng)和加熱系統(tǒng)三部分組成。測試系統(tǒng)原理圖如圖9所示。鋁制均熱板的尺寸為120 mm×100 mm×2 mm，充液率為10%。吸液芯為鋁粉燒結(jié)，工質(zhì)為丙酮。熱源面積為50 mm×60 mm×2 mm，位置位于正中心。

1-計算機；2-數(shù)據(jù)采集儀；3-紅外熱像儀；4-風(fēng)扇；5-均熱板及翅片；6-銅基塊；7-加熱塊；8-云母片；9-顯示器；10-調(diào)壓器

5.2 數(shù)據(jù)處理

均熱板熱阻的計算公式如下：

(1)

(2)

5.3 不確定度分析

測試系統(tǒng)的不確定度分析由誤差傳遞原理獲得。假設(shè)函數(shù)Z由獨立參數(shù)X1，X2，X3組成，每個獨立參數(shù)的不確定度分別為ΔX1，ΔX2，ΔX3，則Z不確定度為：

(3)

熱阻的不確定度為：

(4)

表3為測試系統(tǒng)中主要參數(shù)不確定度。

表3 測試系統(tǒng)中主要參數(shù)不確定度

5.4 結(jié)果與討論

在測試系統(tǒng)中，均熱板作為電子元器件的冷卻系統(tǒng)，且電子元器件的最高溫度為80 ℃。因此，當(dāng)蒸發(fā)端的平均溫度達(dá)到80～90 ℃時，測試結(jié)束。同時研究了均熱板的穩(wěn)態(tài)工作特性和瞬態(tài)工作特性。當(dāng)測量均熱板穩(wěn)態(tài)特性時，加熱功率每次增加10 W。當(dāng)測量均熱板的瞬態(tài)特性時，加熱功率是穩(wěn)態(tài)下的最大功率。

圖10 均熱板穩(wěn)態(tài)工作特性

均熱板穩(wěn)態(tài)工作特性如圖10所示，當(dāng)加熱功率達(dá)到一定值后，均熱板的熱阻基本穩(wěn)定在一個固定值，均熱板的平均熱阻為0.15 K/W。均熱板瞬態(tài)工作特性如圖11所示，啟動時間為50 s，均熱板正常工作之后，均熱板的平均熱阻為0.14 K/W。

圖11 均熱板瞬態(tài)工作特性

6 結(jié)語

本文首先對均熱板的殼體材料、吸液芯類型及工質(zhì)的選擇進行總結(jié)，并針對均熱板在不同領(lǐng)域的應(yīng)用研究進行綜述，包括電子設(shè)備、電子元件、汽車應(yīng)用、能源、工業(yè)生產(chǎn)、電器及軍事等領(lǐng)域，得出結(jié)論如下：

1)選擇均熱板的殼體材料時需考慮殼體材料的浸潤性、導(dǎo)熱性能及與工質(zhì)的相容性等；均熱板內(nèi)部工質(zhì)選擇因素包括與管殼材料相容性及工質(zhì)的工作溫度范圍；吸液芯結(jié)構(gòu)需具有較大的毛細(xì)壓力和優(yōu)異的蒸發(fā)傳熱性能、大的滲透性和小的流動阻力等特性。

2)利用實驗、理論及數(shù)值模擬方法對各領(lǐng)域的均熱板應(yīng)用進行研究，應(yīng)用領(lǐng)域主要包括電子設(shè)備、電子元件及電動汽車熱管理，同時還涉及能源、工業(yè)生產(chǎn)、電器及軍事應(yīng)用等多個領(lǐng)域。

3)分別測試了鋁制均熱板的穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)熱性能，鋁制均熱板的穩(wěn)態(tài)平均熱阻為0.15 K/W，瞬態(tài)平均熱阻為0.14 K/W。