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均热板吸液芯结构研究现状

作者: cnpim CNPIM 2023年08月02日

来源：科技创新与应用

作者：汪永超，刘桂谦，黄学飞，王洪海

摘要：随着电子产品热流密度呈指数倍增长，均热板正成为解决高热流密度产品散热问题的技术手段之一。该文首先简要介绍均热板的组成和工作原理，并从均热板吸液芯结构组成出发，描述单一吸液芯结构和复合吸液芯结构的研究现状。最后，探讨均热板吸液芯结构的未来发展方向。
关键词：均热板 单一吸液芯 复合吸液芯 研究现状 发展方向

随着电子信息技术的发展和推广，电子产品、工业设备、新能源汽车及军事装备等领域的产品朝着小型化和集成化方向演变。产品的集成度越来越高，热流密度也呈现指数倍增长，部分产品的热流密度已经超过 200 W/cm2 ，甚至工作温度已接近临界温度。根据阿伦尼斯经验方程可知，电子产品工作温度每升高 10 ℃， 其可靠性降低 50%。因此，热设计已成为产品设计中必不可少的一部分。

传统散热方式，如自然冷却、强制风冷，已不能满足高热流密度产品的散热需求。均热板作为一种高效的散热设备，具有较高的热导率和均温性，正逐渐成为 解决高热流密度产品散热问题的技术手段之一。本文通过分析均热板的组成和工作原理，阐述均热板吸液芯结构的重要性，探讨均热板吸液芯结构的研究现状， 最后对吸液芯结构的设计进行展望。


1 均热板的组成及工作原理

1.1 均热板的组成
均热板的结构如图 1 所示，主要由壳体（上壳板、 下壳板和中间框架）、吸液芯结构（蒸发端吸液芯和冷凝端吸液芯）和工作液体组成。上壳板、下壳板和中间框架形成密闭空间，通过特定的抽真空装置对该密闭空间进行抽真空，使密闭空间具有一定的真空度，形成真空腔。

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1.2 均热板的工作原理

均热板是一种相变换热结构，通过工作液体的蒸发和冷凝循环实现热量的高效传递，其工作过程主要为：①热量通过均热板下壳板传递到蒸发端吸液芯；②蒸发端吸液芯内的液体由于处于具有一定真空度的腔体内， 在较低的温度下蒸发为蒸汽；③蒸汽在压差的作用下充满整个均热板腔体；④由于冷凝端连接外部散热装置， 以强制对流方式、风冷散热或水冷散热方式带走热量因此，蒸汽在冷凝端吸液芯处迅速凝结为液体；⑤凝结的工作液体在吸液芯毛细压力和重力的作用下回流至 蒸发端吸液芯，进行下一次蒸发-冷凝循环。
2 均热板吸液芯结构

均热板吸液芯一般分为 2 种：蒸发端吸液芯和冷凝端吸液芯，其中蒸发端吸液芯的作用是加快液体工质在蒸发端的蒸发效率，而冷凝端吸液芯的目的是提升蒸汽在冷凝端的冷凝效率，蒸发端吸液芯与冷凝端吸液芯共同促进了均热板的蒸发-冷凝循环。
此外，部分类型吸液芯结构可产生较强的毛细压力来驱动冷凝工质从冷凝端回流至蒸发端，以此提升均热板蒸发-冷凝循环能力。因此，吸液芯结构是影响均热板传热性能的重要因素。根据结构组成，将均热板吸液芯结构分为单一吸液芯结构和复合吸液芯结构。

2.1 单一吸液芯结构

常见的单一吸液芯结构有粉末烧结吸液芯、沟槽吸液芯、丝网吸液芯。粉末烧结吸液芯具有较强的毛细压力，但由于其多孔特性导致渗透率和导热系数较低；沟槽吸液芯具有较高的渗透性和导热性，但由于其毛细半径较大影响了吸液芯的毛细压力；丝网吸液芯具有较高的渗透性，但其毛细压力不如粉末烧结吸液芯，导热系数不如沟槽吸液芯，然而丝网吸液芯制造成本低，因此常见于对毛细力和导热性能要求不高的场景。

Chen等制备了辐射状沟槽型吸液芯结构铝制均热板、粉末烧结型吸液芯结构铝制均热板，通过分析均热板热阻和冷凝端顶部温度的分布情况，研究均热板的传热性能。实验发现，粉末烧结吸液芯结构均热板比辐射状沟槽吸液芯结构均热板具有更高的稳定性。

Wong等分别制备了100目丝网、200目丝网和三角形沟槽吸液芯结构，用于均热板的蒸发端，并研究了水、甲醇、丙酮等多种工质在不同载荷和区域对均热板的热性能的影响。

Tang等针对高功率LED的散热需求，采用数控铣削制备了微沟槽吸液芯结构均热板来代替普通LED散热器。实验结果表明，在相同的输入功率下，与普通散热器的LED相比，带有微沟槽吸液芯结构均热板的LED的结温更低，温度分布更均匀。

Zeng等采用铣刀制备了一种凹腔阵列的微沟槽结构作为均热板吸液芯结构，该结构具有较高的深宽比，可有效地提升毛细压力和促进液体工质进行相变。实验研究表明，该结构具有快速的热响应和低的热载荷启动性能，均热板的热阻稳定在0.055~0.074℃/W，适用于紧凑型的高功率电子设备的热管理。

Wang等设计了一种双面径向微沟槽吸液芯结构均热板，并分别采用制备紫外激光和红外激光加工冷凝端微沟槽吸液芯结构和蒸发端微沟槽吸液芯结构。实验研究表面，双面径向微沟槽吸液芯结构均热板具有良好的均温性能，蒸发端微沟槽结构和冷凝端微沟槽结构都有助于提高均热板的传热性能，较大深宽比和较小辐射角的双面微沟槽更有利于提高均热板的热性能。

2.2 复合吸液芯结构

评价吸液芯结构传热性能的指标一般为毛细压力、导热性、渗透性，而单一吸液芯结构似乎很难同时达到高渗透性、大毛细压力、高导热性的效果。为解决这一难题，学者们纷纷开始设计复合吸液芯结构，如沟槽-粉末烧结吸液芯、沟槽-丝网吸液芯、丝网-粉末烧结吸液芯。

邓大祥在沟槽吸液芯内部进行粉末烧结，制备了一种新型沟槽-粉末烧结复合吸液芯结构均热板。通过均热板可视化实验和传热性能实验表明，该复合吸液芯具有较高的渗透性、导热性、毛细性能，相比沟槽吸液芯均热板和粉末烧结吸液芯均热板，具有更好的传热性能。

Deng等设计了一系列蒸发端具有均匀径向沟槽的复合多孔均热板，其中均匀径向沟槽由烧结铜粉层形成。实验结果表明，复合多孔蒸汽腔由于径向沟槽的存在，使热通量均匀地传递到冷凝器表面。

Franchi等在粗丝网上烧结金属镍粉末，制备丝网-粉末烧结吸液芯，结果表明，当粗丝网和细粉末烧结颗粒同时存在时，该复合吸液芯具有较强的毛细压力和较高的渗透性。

Lefèvre等对比了双层丝网吸液芯和沟槽-丝网吸液芯的传热性能，结果表明，沟槽-丝网吸液芯的传热性能没有双层丝网吸液芯好。因此，复合吸液芯结构不一定比单一吸液芯结构的传热性能好。

Wang等设计了一种复合多孔吸液芯结构均热板，通过数值模拟分析复合多孔吸液芯结构对均热板内液体工质和蒸汽的流动速度、压力分布的影响。研究表明，复合多孔吸液芯结构可为液体工质提供多个回流通道。此外，为方便液体工质通过多孔通道，均热板蒸发端多孔介质结构的孔隙率应略大于冷凝端多孔介质结构的孔隙率。
3 吸液芯结构的未来发展方向

近几年，部分学者以自然界中植物叶脉结构为启发，设计了一种叶脉多尺度仿生吸液芯结构，研究了叶脉宏观通道、微观网纹、微纳结构对均热板液体工质流动性能和均热板整体传热性能的影响，制备的均热板样品性能优异，热阻最小仅为0.094℃/W。Liu等通过植物叶脉运输原理提出了一种叶径脉仿生分形的吸液芯结构，分别制备了圆形均热板和矩形均热板。均热板冷凝端采用叶脉仿生吸液芯结构，蒸发端采用粉末烧结多孔结构。实验发现，叶脉仿生结构的分形角度对均热板传热性能的影响较大，当分形角为40~50°时，均热板的热阻较小，此时矩形均热板的最低热阻为0.06℃/W。
此外，部分学者根据均热板的应用场景，分别设计不同润湿特性和非均匀润湿表面的吸液芯结构，通过提升液体工质的回流速度来增强均热板的传热性能。Shaeri等研制了2种新型润湿结构吸液芯均热板。第一种将亲水性的丝网结构压入疏水性的蒸发端内；第二种将蒸发端加热区域设计为疏水性结构，其他区域设计为超亲水性结构。实验验证2种润湿结构均热板的传热性能，研究发现第二种均热板的传热极限为162W/cm2，高于第一种均热板的传热性能，其原因是丝网与疏水蒸发端之间的机械接触结构影响了均热板的传热性能。

均热板吸液芯结构的未来发展将以产品为主导，采用自然仿生形状、不同润湿特性、非均匀润湿表面等技术手段，根据产品的应用场景和散热需求进行个性化设计，得到最适合产品散热的吸液芯结构。

4 结束语

随着电子产品朝着小型化和微型化的方向发展，均热板正逐渐成为解决产品散热难题的技术手段之 一。均热板吸液芯结构既可有效增强工质的蒸发效率 和冷凝效率，又可增强均热板的毛细压力促进工质蒸发-冷凝循环，是影响均热板传热性能的重要因素。粉末烧结、沟槽、丝网等单一吸液芯较难同时达到高渗透性、大毛细压力和高导热性的效果，复合吸液芯结构可有效解决单一吸液芯结构的难题，但复合吸液芯结构的传热性能不一定优于单一吸液芯结构的传热性能。自然仿生形状、不同润湿特性和非均匀润湿表面是均热板吸液芯结构未来发展的主要方向。



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