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[摘要]自从1984年Cotter提出“微型热管”的概念以来，管式微热管技术已在微电子冷却领域得到广泛的应用，但由于管式微热管受热面积和冷却面积的局限性，限制了其应用。本文对新型热管进行了新的结构设计，选用铜丝作为吸液芯结构，铜为基底材料，乙醇作为工作液体以其提高散热效果。
[关键词]铜丝；散热；新型平板式微热管
引言
平板式微热管作为普通管式微热管的改进结构，目前已成为热管研究与开发的热点技术。其中平板热管由于其良好的蒸发吸热特性和形状易于与芯片贴合等优点被越来越多地应用于芯片散热，而微热管或内微结构具有强化传热传质的作用，引起研究者越来越多的关注。
现有以强制空气冷却为主的微处理器散热技术最多约只能处理60%微处理器所产生的废热，需依赖新一代小质轻且效率极高的电子冷却技术来解决。如突破该散热技术瓶颈，则可推动电子器件发展到一个新的高度。
1.新型平板式微热管
本文所设计的新型平板式热管，它包括封闭壳体、吸液芯以及液体工质。封闭壳体的内部空腔被抽成真空，并灌注一定量的液体工质；吸液芯结构由铜丝分别与基板、隔板和铜丝形成锋利的尖角区代替，锋利的尖角区能够为液体工质回流提供较大的毛细力。平板式微热管的散热平面有代沟槽的上盖板所代替，增大了散热面积，使平板热管的散热特性增强，提高散热效率。
2.热管的工作原理
热管是利用工质相变换热进行传热的元件。典型的热管由管壳、吸液芯（在微型热管中可能没有吸液芯）和蒸汽通道组成，它的基本工作原理示意图如图1所示。管的一端为吸热端（加热段），另一端为散热端（冷却段），介于蒸发段和冷凝段之间的为绝热段。当热管的一端受热时，毛细芯中的液体蒸发汽化，蒸汽在微小的压差下流向另一端放出热量凝结成液体，液体再沿多孔材料靠毛细力的作用流回蒸发段。如此循环不已，热量由热管的一端传至另一端。
热管是通过相变传递潜热来传递热量的，其传递的热量远远比通过对流或传导传递的热量多。即它的导热性能比常见的金属材料大得多[1]。
3.微型热管的传热极限分析
微热管依靠工质相变传递热量的工作方式使得微热管具有非常强的传热能力。尽管如此，也不可能无限制的加大热负荷。换言之，热管的传热能力受一系列的传热极限的限制，这些传热极限与热管尺寸，形状，工作介质，吸液芯结构，工作温度等有关。而平板型热管的传热量是由热管在某工作温度下各传热极限的最小值所决定的[2]。理论分析和实验研究发现，微型热管中影响热管最大传热能力的工作极限主要有毛细极限、沸腾极限、粘滞极限、声速极限等。
4.新型平板式微热管课题的设计
影响微热管传热性能的因素有很多，但主要因素有如下五点。课题将针对如下五点对新型平板式微热管进行设计：
4.1微热管工作温度与管壳材料的选择。作温度即工作情况下热管内部工作液体的饱和蒸汽温度。管壳材料的选择要考虑的因素是相容性、强度和刚度要求，还要考虑经济性和材料的来源。因新型平板式热管应用于电子元件的散热，故工作温度选择在0～100℃。又综合考虑以上因素，本文选择铜为热管的壳体材料。铜是热的良导体，铜的导热系数为385W/m/℃，并且紫铜耐腐蚀，质地相对较软，便于加工和裁减。
4.2微热管工作液体的选择。热管是依靠工质的相变来传递热量的，所以，工质的各种物理性质对于热管的工作特性有着至关重要的影响。一般良好的工质具有如下特性：1）汽化潜热能高；2）浸润性能好；3）在工作温度范围内有适当的饱和蒸汽压；4）与管芯、管壳材料能够长期相容；5）其他因素（包括经济性、毒性、环保等）。常用的工质有甲醇、乙醇和水，乙醇具有适当的饱和蒸汽压，较好的综合物理特性，又与作为吸液芯结构的铜丝和作为壳体材料的铜有较好的相容性，所以选择乙醇作为微热管的工作液体。
4.3微热管吸液芯的选择。吸液芯的选择是一个复杂的问题，以为热管具有多种多样的吸液芯结构，选择时需要考虑能提供的最大毛细力、渗透率、导热热阻等。基于以上原因，本文采用铜丝作为吸液芯结构。
4.4微热管散热平面的设计。对于散热平面设计，本课题采用增大单位微热管体积的散热面积的办法。具体办法是在微热管的散热平面上制造出相互平行且等腰的沟槽。根据几何原理加工后的散热面面积是加工前的1/sinθ倍，有如下公式：
式中：S（1）-加工后散热平面面积；S（0）-加工前散热平面面积；θ-沟槽顶角的1/2倍。
对于式中θ值的选取可根据平板式微热管的用途、所在环境等具体因素进行设定。
4.5新型平板式微热管的设计。本课题提出的一种以沟槽代替散热平面和铜丝作为吸液芯结构的微型平板式热管，整个热管由四部分组成，分别为：装有铜丝的基板、铜丝、隔板及上面带沟槽的盖板。将这四部分通过板式压制与焊接方法结合在一起。避免了整体精加工，简化了制作工艺，降低了制造成本。
5.结论
本文提出了一种新型平板式微热管，并实现了散热面积在原单位面积上增大数倍的沟槽设计，沟槽的设计代替平面散热，增大换热面积，提高换热效率。一种以铜丝为吸液芯结构的平板式微型热管。对于这种新型的热管具有以下优点：
1）气态工质和液态工质流通通道是完全分开的，避免了汽液界面剪切摩擦力的产生；2）由铜丝形成的槽道尖角区锐利，可以提供较大的毛细力；3）铜丝可以排列以形成较多的槽道。
参考文献
[1]P.D.邓恩，D.A.雷伊.热管.周海云.国防工业出版社.北京，1982.2：102～115
[2]李寒亭.微型热管的稳态模化分析及其试验研究.中国空间科学技术，1997，（6）：22～23
[3]董甜.新型玻璃丝纤维吸液芯结构平板式微热管的研究.哈尔滨工业大学硕士学位论文，2010.7
[关键词]铜丝；散热；新型平板式微热管
引言
平板式微热管作为普通管式微热管的改进结构，目前已成为热管研究与开发的热点技术。其中平板热管由于其良好的蒸发吸热特性和形状易于与芯片贴合等优点被越来越多地应用于芯片散热，而微热管或内微结构具有强化传热传质的作用，引起研究者越来越多的关注。
现有以强制空气冷却为主的微处理器散热技术最多约只能处理60%微处理器所产生的废热，需依赖新一代小质轻且效率极高的电子冷却技术来解决。如突破该散热技术瓶颈，则可推动电子器件发展到一个新的高度。
1.新型平板式微热管
本文所设计的新型平板式热管，它包括封闭壳体、吸液芯以及液体工质。封闭壳体的内部空腔被抽成真空，并灌注一定量的液体工质；吸液芯结构由铜丝分别与基板、隔板和铜丝形成锋利的尖角区代替，锋利的尖角区能够为液体工质回流提供较大的毛细力。平板式微热管的散热平面有代沟槽的上盖板所代替，增大了散热面积，使平板热管的散热特性增强，提高散热效率。
2.热管的工作原理
热管是利用工质相变换热进行传热的元件。典型的热管由管壳、吸液芯（在微型热管中可能没有吸液芯）和蒸汽通道组成，它的基本工作原理示意图如图1所示。管的一端为吸热端（加热段），另一端为散热端（冷却段），介于蒸发段和冷凝段之间的为绝热段。当热管的一端受热时，毛细芯中的液体蒸发汽化，蒸汽在微小的压差下流向另一端放出热量凝结成液体，液体再沿多孔材料靠毛细力的作用流回蒸发段。如此循环不已，热量由热管的一端传至另一端。
热管是通过相变传递潜热来传递热量的，其传递的热量远远比通过对流或传导传递的热量多。即它的导热性能比常见的金属材料大得多[1]。
3.微型热管的传热极限分析
微热管依靠工质相变传递热量的工作方式使得微热管具有非常强的传热能力。尽管如此，也不可能无限制的加大热负荷。换言之，热管的传热能力受一系列的传热极限的限制，这些传热极限与热管尺寸，形状，工作介质，吸液芯结构，工作温度等有关。而平板型热管的传热量是由热管在某工作温度下各传热极限的最小值所决定的[2]。理论分析和实验研究发现，微型热管中影响热管最大传热能力的工作极限主要有毛细极限、沸腾极限、粘滞极限、声速极限等。
4.新型平板式微热管课题的设计
影响微热管传热性能的因素有很多，但主要因素有如下五点。课题将针对如下五点对新型平板式微热管进行设计：
4.1微热管工作温度与管壳材料的选择。作温度即工作情况下热管内部工作液体的饱和蒸汽温度。管壳材料的选择要考虑的因素是相容性、强度和刚度要求，还要考虑经济性和材料的来源。因新型平板式热管应用于电子元件的散热，故工作温度选择在0～100℃。又综合考虑以上因素，本文选择铜为热管的壳体材料。铜是热的良导体，铜的导热系数为385W/m/℃，并且紫铜耐腐蚀，质地相对较软，便于加工和裁减。
4.2微热管工作液体的选择。热管是依靠工质的相变来传递热量的，所以，工质的各种物理性质对于热管的工作特性有着至关重要的影响。一般良好的工质具有如下特性：1）汽化潜热能高；2）浸润性能好；3）在工作温度范围内有适当的饱和蒸汽压；4）与管芯、管壳材料能够长期相容；5）其他因素（包括经济性、毒性、环保等）。常用的工质有甲醇、乙醇和水，乙醇具有适当的饱和蒸汽压，较好的综合物理特性，又与作为吸液芯结构的铜丝和作为壳体材料的铜有较好的相容性，所以选择乙醇作为微热管的工作液体。
4.3微热管吸液芯的选择。吸液芯的选择是一个复杂的问题，以为热管具有多种多样的吸液芯结构，选择时需要考虑能提供的最大毛细力、渗透率、导热热阻等。基于以上原因，本文采用铜丝作为吸液芯结构。
4.4微热管散热平面的设计。对于散热平面设计，本课题采用增大单位微热管体积的散热面积的办法。具体办法是在微热管的散热平面上制造出相互平行且等腰的沟槽。根据几何原理加工后的散热面面积是加工前的1/sinθ倍，有如下公式：
式中：S（1）-加工后散热平面面积；S（0）-加工前散热平面面积；θ-沟槽顶角的1/2倍。
对于式中θ值的选取可根据平板式微热管的用途、所在环境等具体因素进行设定。
4.5新型平板式微热管的设计。本课题提出的一种以沟槽代替散热平面和铜丝作为吸液芯结构的微型平板式热管，整个热管由四部分组成，分别为：装有铜丝的基板、铜丝、隔板及上面带沟槽的盖板。将这四部分通过板式压制与焊接方法结合在一起。避免了整体精加工，简化了制作工艺，降低了制造成本。
5.结论
本文提出了一种新型平板式微热管，并实现了散热面积在原单位面积上增大数倍的沟槽设计，沟槽的设计代替平面散热，增大换热面积，提高换热效率。一种以铜丝为吸液芯结构的平板式微型热管。对于这种新型的热管具有以下优点：
1）气态工质和液态工质流通通道是完全分开的，避免了汽液界面剪切摩擦力的产生；2）由铜丝形成的槽道尖角区锐利，可以提供较大的毛细力；3）铜丝可以排列以形成较多的槽道。
参考文献
[1]P.D.邓恩，D.A.雷伊.热管.周海云.国防工业出版社.北京，1982.2：102～115
[2]李寒亭.微型热管的稳态模化分析及其试验研究.中国空间科学技术，1997，（6）：22～23
[3]董甜.新型玻璃丝纤维吸液芯结构平板式微热管的研究.哈尔滨工业大学硕士学位论文，2010.7