摘 要：回顧近些年來國內(nèi)外學(xué)者對微型熱管的不同形狀尺寸、構(gòu)造原理、工作環(huán)境以及應(yīng)用等方面的研究，比較分析了微熱管在各種不同設(shè)計工況下的相關(guān)性能。在常見的工作極限研究中發(fā)現(xiàn)通過增大毛細力可強化傳熱性能，進一步了說明毛細極限對微型熱管的傳熱性能影響巨大。通過回顧前人的理論建模和實驗研究，著重強調(diào)一些目前正在研究的微熱管的設(shè)計。微熱管如今被廣泛用于與電子冷卻領(lǐng)域，微電子系統(tǒng)中的電子元件被其緊湊微小的結(jié)構(gòu)所限制，需要從有限的空間向外界環(huán)境散去額外的熱量就必須進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化。最后，簡單討論了微型熱管當前面臨的挑戰(zhàn)，并預(yù)測了其發(fā)展前景。
關(guān)鍵詞：微型熱管 ；結(jié)構(gòu)尺寸 ；傳熱性能 ；工作極限
引言
近年來，隨著精密加工和封裝技術(shù)的快速發(fā)展引起了超大規(guī)模集成芯片上電子元件的數(shù)量和密度急劇增多，這就導(dǎo)致了微電子系統(tǒng)產(chǎn)生的熱量隨之急劇增加，造成其溫度控制也面臨嚴峻挑戰(zhàn)，更糟糕的是其均溫性極差 [1] 。研究發(fā)現(xiàn)21世紀初時，微芯片產(chǎn)生的熱量就能夠達到100 W/m 2 ，時至今日，其發(fā)熱量則變得更高。如果不設(shè)法實現(xiàn)快速冷卻，設(shè)備的可靠性和工作性能將受到顯著影響甚至毀壞 [2] 。而熱管微型化的趨勢使其能盡可能近地靠近熱表面，從而獲得更大的接觸面積和更強的毛細力。因此，平板微熱管的出現(xiàn)為電子系統(tǒng)冷卻提供了理想的解決方案。
隨著科技的不斷進步，熱管的結(jié)構(gòu)如毛細吸液芯和通道的間距等也不斷發(fā)生著變化。由于電子器件緊湊的設(shè)計和尺寸，熱管的應(yīng)用受到了限制?？傮w來看，相比1984年cotter提出的傳統(tǒng)微熱管，微型熱管擁有更大的蒸發(fā)和冷凝區(qū)域以及更加復(fù)雜的內(nèi)部構(gòu)造，因此，平板微熱管能夠在極小的溫度梯度下傳遞很大的熱量，局部熱源引起的熱量能被很快轉(zhuǎn)移 [3] 。此外，微型熱管質(zhì)量輕、易加工，且在啟動階段至完全啟動后都有極為出色的性能表現(xiàn)。鑒于這些優(yōu)點，近年來微型平板熱管發(fā)展迅速。
過去幾十年，人們進行了許多關(guān)于微型平板熱管的理論研究、實驗測試和數(shù)值模擬。人們建立了許多穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)的數(shù)學(xué)模型用來模擬微熱管的運行極限和工作特點，測定有效熱導(dǎo)率和工作極限，對微熱管的設(shè)計進行優(yōu)化。影響工作極限和優(yōu)化設(shè)計的關(guān)鍵因素，以及工質(zhì)流動的可視化分析，是實驗研究的主題。微型平板熱管的性能受到各種各樣的因素影響，包括微槽結(jié)構(gòu)、毛細力、熱流密度、充液率、傾斜角度等。
微熱管工作原理
微型熱管是在常規(guī)熱管的基礎(chǔ)上發(fā)展延伸出的設(shè)計，一般來說微熱管有以下兩種定義 ：1984年Cotter [4] 將之定義為熱管的水力半徑大于或者等于熱管中液體彎月面的曲率半徑。而Chen [5] 等則將微型熱管定義為當Bond數(shù)小于或者等于2的熱管，Bond數(shù)是描述液體重力與表面張力之比的無量綱數(shù)，當Bond數(shù)不大于2時說明表面張力對液體運動起主導(dǎo)作用。微小型熱管由于尺寸很小，一般沒有常規(guī)熱管中的吸液芯結(jié)構(gòu)，而是代之以在熱管內(nèi)壁上刻蝕或者加工出微細槽道作為液體流通的通道，或者直接利用管內(nèi)壁的尖銳邊角區(qū)作為工質(zhì)的流動通道。
微型平板熱管是利用腔內(nèi)液體工質(zhì)氣液相變換熱的一種高效傳熱裝置，具有結(jié)構(gòu)密實、質(zhì)量輕便、熱導(dǎo)率高、均溫性好等優(yōu)點 [6] 。通常情況下，微熱管工作時液態(tài)工質(zhì)回流的驅(qū)動力是由微熱管內(nèi)腔尖角區(qū)或微細槽道產(chǎn)生的軸向毛細壓差提供，這一壓差將液態(tài)工質(zhì)從冷凝段壓回到熱管的蒸發(fā)段，以此實現(xiàn)持續(xù)循環(huán)流動換熱。微型熱管的工作原理圖如圖1所示。
為了使微型平板熱管得到更好的應(yīng)用效果，研究者們針對不同的工質(zhì)、不同的基體材料、不同的幾何設(shè)計進行了各種各樣的研究。然而在設(shè)計發(fā)展更小巧、更高效、更可靠的微型熱管的過程中依然存在諸多挑戰(zhàn)。不論選擇金屬材料、高分子材料或者硅板等作為殼體，加工費用依然昂貴，這是目前大力推廣使用微型平板熱管的一大瓶頸。此外，傳熱原理，尤其是微熱管內(nèi)部的相變過程和二相流動仍沒有徹底被解析。因此，更有效的數(shù)學(xué)模型和更廉價的制作方法需要被挖掘。
微槽設(shè)計的回顧與分析
微熱管通常利用毛細芯或者微通道提供毛細力，并將熱量轉(zhuǎn)移至冷凝段。通道的設(shè)計一般基于外形尺寸、受重力影響的長度和總的熱量轉(zhuǎn)移等因素。數(shù)學(xué)模型對微熱管系統(tǒng)進行了本質(zhì)描述，能夠幫助研究各種關(guān)鍵因素對熱管性能的影響。由于數(shù)學(xué)模型的實用性廣，能夠通過它評估實驗結(jié)果的準確性，并為模具開發(fā)和結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供理論基礎(chǔ)。但盡管已經(jīng)有了很多微型熱管相關(guān)的數(shù)學(xué)模型，對微熱管的熱物性能的研究依舊不夠，例如微熱管尖角區(qū)流體蒸發(fā)的本質(zhì)現(xiàn)象以及蒸發(fā)段和冷凝段的質(zhì)量流量 ；多邊形橫截面通道能夠作為毛細管通道利用尖角為工作液體的流通提供所需的動力，但制作方法會限制通道的幾何設(shè)計。目前，使用最多的橫截面形狀為梯形、三角形和矩形截面。在這部分將討論這些微型平板熱管內(nèi)部設(shè)計的研究。
在Cotter提出微熱管概念的基礎(chǔ)上，Babin [8] 等與1990年研制出梯形微熱管的穩(wěn)態(tài)模型并利用Chi [9] 在1976年所提出的描述傳統(tǒng)熱管穩(wěn)態(tài)模型技術(shù)用來預(yù)測其最大傳熱能力。Babin等人的工作由實驗和理論研究兩部分組成，所設(shè)計的梯形微熱管長度為57 mm，橫截面尺寸為1 mm×1 mm。除了驗證微熱管的概念，毛細極限的想法也被提出。
Longtin [10] 等于1994年建立一維模型對穩(wěn)態(tài)工況下三角形微熱管進行了分析。微熱管設(shè)計分為蒸發(fā)段和冷凝段兩部分，考慮了銅-水系統(tǒng)和銀-水系統(tǒng)，通道長度在20.48~20.58 mm之間，截面尺寸為100 μm。假設(shè)通道內(nèi)的溫度是相同的，考慮到通道軸向液體截面形狀的變化，推導(dǎo)出動量方程，并將理論結(jié)果與Babin不同截面形狀的相似系統(tǒng)進行了比較。分別用顯式和隱式時間步長有限差分法，得出了微熱管的瞬時效應(yīng)，以及工作流體的溫度分布。微熱管長度為144 mm，每個通道尺寸為0.3 mm，共有40個三角形截面的微通道，這些研究涉及單通道的分析。銅-水系統(tǒng)分析結(jié)果為 ：蒸發(fā)段蒸汽的速度分布是線性的，液體的壓力損失比蒸汽的要大。瞬時有效導(dǎo)熱系數(shù)在啟動瞬間或者熱量進入瞬間突然增大。對于給定的輸入熱量，冷凝段傳熱系數(shù)的增加會降低微熱管的有效導(dǎo)熱系數(shù)。
Khrustalev和Faghri [11] 在1999年建立了一個數(shù)學(xué)模型來描述在毛細微槽的熱管蒸發(fā)器區(qū)的稀薄液體通過薄液膜區(qū)域的熱傳遞。結(jié)合守恒定律和有關(guān)毛細壓力的Young-Laplace方程，假定液體溫度和蒸汽溫度相同，利用理想氣體狀態(tài)方程估算了蒸汽在軸向上的溫度分布。展開Young-Laplace方程和理想氣體狀態(tài)方程，Sobhan求解了氣液兩相的連續(xù)性方程、動量方程和能量方程，從而得出了三角形截面微熱管內(nèi)氣液兩相溫度的軸向分布。微熱管當量導(dǎo)熱系數(shù)隨熱流密度的變化如圖2所示。
Peterson [12] 于1995年設(shè)計出頂角為30°、寬度為0.38 mm的V角形微熱管，從實驗和理論兩方面分析了微熱管中的毛細現(xiàn)象，并得到了微熱管在長度方向上彎月面曲率半徑的軸向變化。熱管以銅作管材，甲醇和乙醇作工質(zhì)，在上述形狀的熱管中探索了傾斜角度的變化對毛細現(xiàn)象的影響。
Suman [13] 等研究了帶有三角形槽道微熱管的傳熱問題和瞬態(tài)性能。他們旨在確定熱物理性質(zhì)變化和設(shè)計參數(shù)對熱管性能的影響。熱管材料為硅片，工質(zhì)為戊烷，熱管長度為2~2.5 mm，寬度為0.1~0.2 mm。一系列的微熱管研究表明，微槽頂角、傾斜角度、粘性、拐角銳度和熱管長度的增加都會削弱微熱管的性能，而表面張力和接觸角的增加對微熱管的性能有積極作用。
Launay [14] 等在2004年研究了銅—水系統(tǒng)的絲網(wǎng)平板微熱管，結(jié)果表明與空通道陣列相比，絲網(wǎng)結(jié)構(gòu)微熱管的有效大熱系數(shù)增大了1.3倍。建立數(shù)學(xué)模型分析了流體沿微熱管的軸向分布，認為溫度場和最大傳熱量由毛細極限主導(dǎo)。在氣液兩相守恒方程的基礎(chǔ)上建立了穩(wěn)態(tài)水力模型，在壁面與液膜劃分網(wǎng)格，通過熱阻計算了壁面溫度。理論和實驗數(shù)據(jù)一致證明了接觸角、流體流態(tài)、充液量和邊角區(qū)的影響。
Suman和他的同事在2005年利用宏觀方法，提出了各種幾何構(gòu)造的微熱管的一維穩(wěn)態(tài)模型。諸多學(xué)者提出截面為矩形和三角形槽道作毛細芯的微熱管，并建立一維穩(wěn)態(tài)模型進行了分析和研究，這些模型沒有考慮氣液界面剪切力的影響。Suman [15] 在動量方程中考慮剪切應(yīng)力、脫離壓力和工質(zhì)顯熱后改進上述模型，定量描述了微熱管內(nèi)流體流動的瞬時現(xiàn)象和微槽熱管內(nèi)部的傳質(zhì)過程。
Lefevre [16] 等在2006年考慮了平板微熱管內(nèi)的氣液兩相流動和固體壁面內(nèi)的導(dǎo)熱，將關(guān)于氣液兩相壓力和流速的二維流體動力模型和壁面區(qū)域?qū)岬娜S模型相耦合，接著將這一模型應(yīng)用在了帶有矩形微槽的平板微熱管的數(shù)值模擬中。并建立模型預(yù)測了矩形槽微熱管的熱力性能，這一模型考慮了氣液界面剪切力、接觸角、液體充液率對熱管的影響。
Hung [17] 研究了幾何設(shè)計對星形槽道微熱管其熱性能的影響。對比了星形槽和正多邊形槽微熱管，分析和討論了幾何因素對傳熱性能的影響。
2006年唐瓊輝 [18] 等設(shè)計出零切角曲面微熱管，與在平板上開出三角形槽道、矩形槽道的微熱管相比，零切角曲面微熱管具有易存液、加工簡單、成本低等優(yōu)點，以熱阻為基礎(chǔ)，通過實驗對不同工質(zhì)、不同充液率和不同傾角下微熱管傳熱性能進行研究，得出穩(wěn)態(tài)工況下，熱沉熱阻占微熱管總熱阻近80%，改進冷凝段冷卻方式，降低零切角曲面微熱管的熱沉熱阻，將會極大提高微熱管傳熱性能。
2010年，白敏麗 [19] 等在微槽群平板熱管的冷凝段加設(shè)翅片通過強化冷凝段與環(huán)境之間的換熱，提高熱管傳熱性能，通過數(shù)值模擬和實驗驗證比較了不同的翅片高度和翅片間距，得到了使熱管散熱性能最好的整體結(jié)構(gòu)。
唐吉仁 [20] 等根據(jù)微槽熱管的最大傳熱能力主要受制于毛細力的大小，提出了一種液體工質(zhì)的彎月面曲率半徑沿軸向呈階梯狀分布的不等寬V形微槽道結(jié)構(gòu)。通過建立理論模型,得出了不寬等毛細微槽能提供較大毛細力的理論依據(jù)。利用ANSYS軟件進行了熱仿真和FLOTRAN軟件進行流體仿真,證明不等寬微槽結(jié)構(gòu)能提供更大的液體回流動力，并在此基礎(chǔ)上提出了微型熱管的內(nèi)部槽道結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計。
影響微熱管性能的極限因素
在實際應(yīng)用中制約著微型熱管的工作性能的因素有很多。因此在設(shè)計微型熱管時，一些傳熱極限應(yīng)該被考慮到。這些極限因素決定了熱管的最大傳熱能力。然而，為了滿足新需求，需要大大提高熱管的有效傳熱系數(shù)。例如，微槽熱管最主要的熱阻來自蒸發(fā)薄液膜和冷凝段的熱量傳遞。如上所述，當熱通量很高時，單個蒸發(fā)薄液膜接觸角的增加將增大熱阻并直接影響總的有效傳熱系數(shù)。
雖然在微熱管內(nèi)很少的工質(zhì)液體相變換熱就能帶走大量的熱量，但當熱源提供的能量超過熱管的傳熱極限時，微熱管的溫度將急劇上升，這種現(xiàn)象最先出現(xiàn)在對傳統(tǒng)熱管的研究中。在某一特定溫度下，微熱管的最小傳熱速率決定著約束微型熱管運行的各類極限。微型熱管的各種工作極限如圖3所示。
（1）黏性極限。熱管低溫啟動時，由于蒸發(fā)段和冷凝段的壓差不夠大，故不足以克服黏滯力使蒸發(fā)段產(chǎn)生的蒸汽向冷凝段移動，熱力循環(huán)無法完成，此即為熱管的黏性極限。
（2）聲速極限。隨著加熱溫度升高，蒸汽流速持續(xù)增大但受限于聲速，這一現(xiàn)象主要發(fā)生在熱管啟動階段。
（3）毛細極限。毛細極限是微小型熱管最主要的限制因素，如果毛細力太小就不能夠為冷凝工質(zhì)從冷凝段向蒸發(fā)段回流提供足夠的驅(qū)動力，導(dǎo)致回流液體不足蒸發(fā)段干涸，不能滿足熱力循環(huán)持續(xù)進行，熱管無法正常工作。Cotter指出微型熱管的毛細力大小對傳熱性能的影響比常規(guī)熱管更重要 [4] 。
（4）攜帶極限。高速流動的蒸汽會帶起微槽內(nèi)的工質(zhì)液滴，也會造成蒸發(fā)段干涸。
（5）沸騰極限。增加熱管蒸發(fā)端的熱量，毛細結(jié)構(gòu)與熱管內(nèi)壁接觸處的液體達到飽和溫度，產(chǎn)生沸騰氣泡。
研究分析與討論
通過回顧以往的學(xué)者們關(guān)于微型平板熱管在不同設(shè)計條件下的傳熱性能方面的研究探索，上述建立的數(shù)學(xué)模型讓我們了解到平板微熱管的瞬態(tài)或穩(wěn)態(tài)性能及各種極限，引導(dǎo)我們優(yōu)化制造過程從而提高微型熱管的工作性能。
針對影響微型熱管傳熱性能的一些因素總結(jié)如下：
（1）工質(zhì)液體的充液率對微型熱管內(nèi)的工質(zhì)流動和傳熱特性有重要影響 ；
（2）傾斜角度對微熱管尤其是帶有軸向溝槽的微熱管的工作性能關(guān)系密切 ；
（3）微槽尺寸和微熱管外觀尺寸以及毛細吸液芯的構(gòu)造類型都會對微型熱管的熱工性能產(chǎn)生強烈影響 ；
（4）殼體壁面的導(dǎo)熱不可忽略，尤其是當工作溫度不高的時候 ；
（5）界面區(qū)域熱阻和蒸汽流動時產(chǎn)生的剪切作用力在微熱管總熱阻中占主導(dǎo)地位 ；
（6）當表面張力在這種微結(jié)構(gòu)系統(tǒng)中占主導(dǎo)地位時，應(yīng)該大力重視表面親水性和潤濕性對液體流動及熱力性能的影響。
結(jié)語
很多電子系統(tǒng)常常產(chǎn)生非常高的熱通量，為了保持溫度的均勻分布，保證系統(tǒng)的極限工作溫度和最佳性能，產(chǎn)生的熱量必須被盡快排除。微型熱管成為電子元件有效冷卻的首要選擇，能夠?qū)崿F(xiàn)快速冷卻熱點對電子器件的冷卻具有重大影響和意義。由于微型熱管體積小且能在極小溫度梯度下驅(qū)散大量熱量，作為散熱器與微型散熱系統(tǒng)聯(lián)合使用逐漸變得越來越流行。這種被動傳熱設(shè)備在微電子領(lǐng)域和各種其他領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用。試圖將電子器件微小化引起了微熱管在各種幾何設(shè)計上的深入研究，適用于不同的工作環(huán)境，利用不同的工作液體材料及各種混合工質(zhì) ；同時，如何實現(xiàn)微型熱管有效導(dǎo)熱系數(shù)進一步的增加將成為高熱量設(shè)備散熱的關(guān)鍵，這為制造更簡單更高效的平板微熱管提供了可能。
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