一种新型平板式微热管的提出

【摘要】在电子元件高速发展的时代，各行行业对电子元件体积的要求越来越小，所以直接导致了元件单位面积的发热量急剧增加，尤其是在一些高热流密集元件中，良好的散热问题是关系着电子器件设计成功与否的标志。目前市场上最常见的是以强制空气作为冷却方式的微处理器散热技术，但他处理最佳效果也就维持在60%左右，笔者就针对当前散热市场发展现状，结合自己的实际工作，提出一种新型平板式微热管并对其进行了结构设计，选用铜丝作为吸液芯结构，封闭壳体材料选用铜，乙醇作为工作液体，以其达到良好的工作效率。

【关键词】铜丝；散热；新型平板式微热管；沟槽结构

小型制冷设备中使用的冷凝器主要有风冷式冷凝器和水冷式冷凝器两种，主要部件有电机（压缩机、风机等用）、操作开关、电磁接触器、连锁继电器、过电流继电器、热动过电流继电器、温度调节器、湿度调节器、温度开关（除霜、防止结冻等用）。压缩机曲轴箱加热器，断水继电器，电脑板及其它部件组成。在传统的应用热管散热之中热管大多为长条圆柱型，使得与平面类电子元件间换热面积不如平板式微热管的效果好。

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、隔板以及液体工质。封闭壳体包括下板、侧板和上板。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下板、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。隔板结构的应用使得气、液态工质的流通通道是分开的，这样就可以避免气、液工质在气液界面上产生摩擦力。

2、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。本文将针对如下五点对新型平板式微热管进行设计：

1）热管的工作温度；2）热管管壳材料的选择；3）管内具体液体的确定；4）管内吸液芯框架构建；5）热管散热平面的设计。

2.1管材及热管工作温度的选择

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。常用的工质有乙醇和水，他们的工作温度和相容材料如表1所示。而工作温度指的是工作情况下热管内部的工作液体饱和蒸汽的实时温度。

表 1 热管温度及壳体材料[1～3]

工质 工作温度/℃ 相容壳体材料

乙醇 0～130 铜、不锈钢

水 30～250 铜、碳钢（内壁经化学处理）

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℃。笔者结合工作实际，在总结了前期工作经验的基础上，选择了以铜作为热管的壳体材料。由于铜的导热系数为385W/m/℃，属于热的良导体，加上紫铜还有耐腐蚀，质地又相对比较柔软，所以加工和裁减都比较方便。

2.2热管工质的选择

热管作为一种高效的换热元件，具有结构紧凑、体积小、换热器进出口压降低及无需消耗辅助动力等优点，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）在热管的工作温度范围内有适当的饱和蒸汽压；2）汽化潜热能高；3）浸润性能好；4）管壳材料与管芯能够长期相容；5）其他因素（包括环保、毒性、经济性等）。

热管工质一般情况下都会选择有乙醇和水，乙醇饱和蒸汽压比较适合，加上他有着较好的综合物理特性，同时还能与铜丝结构的吸液芯以及铜材料的壳体都有着较好的相容性，所以我们通常都会选择乙醇作为微热管的工作液体。

2.3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渗透率、导热热阻、最大毛细力等。表2所示为几种吸液芯的比较。

表 2 几种常见吸液芯的比较

类型＼参数 温度范围 有效毛细半径 渗透率 热阻 可靠性 成本 工艺性 工质充装量

多层网 高、中、低 小 小 小 中 低 好 少

烧结粉末 中、低 小 小 中 高 中 好 少

轴向槽道 高、中、低 大 中 中 高 低 好 中

槽道+网 高、中 小 中 中 中 中 中 中

基于以上对比，并考虑到上述影响因素本文采用铜丝作为吸液芯结构。

2.4热管散热平面的设计

对于增大散热平面的设计，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。（θ值取决于平板式微热管的用途、所在环境等具体因素）

2.5新型平板式微热管的设计

本文提出的一种以铜丝作为吸液芯结构和沟槽代替散热平面的微型平板式热管，热管整体分由四部分组成，分别为：下板、铜丝、隔板及上面带沟槽的上板。通过板式压制与焊接方法将这四部分结合在一起。避免了整体精加工，简化了制作工艺，降低了制造成本。

3、新型平板式微热管制造工艺

新型平板式微热管由封闭壳体、吸液芯、隔板以及液体工质组成。在设计的过程中已经对壳体、吸液芯和隔板的材料进行了合理的选择，现在便可以开始制作。制作过程包括以下工艺操作：

（1）机械加工――（2）清洗――（3）管芯制作――（4）清洗――（5）焊接――（6）检漏――（7）除气――（8）检漏――（9）充装――（10）封接――（11）烘烤――（12）检验

实际制造的时候往往比上述工艺操作繁琐，有的甚至达到上百道的工序。这里只简单介绍一些必须工序。

4、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：由铜丝形成的槽道尖角区锐利，可以提供较大的毛细力；气、液态工质流通通道是分开的，这样就可以完全避免汽液界面产生摩擦力；铜丝可以排列以形成较多的槽道。

参考文献

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[2]杨光欢.热管及热管换热器[J].黑龙江信息周报，2014

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