新型平板式微熱管在筆記本電腦散熱中的應(yīng)用研究

 摘要：隨著筆記本電腦的高速發(fā)展，電腦元件中單位體積的發(fā)熱量越來(lái)越高，而由于筆記本電腦結(jié)構(gòu)和空間的限制，傳統(tǒng)的水冷和風(fēng)冷技術(shù)已無(wú)法滿足日益增長(zhǎng)的散熱要求。熱管由于其優(yōu)良的傳熱性能和等溫性能被越來(lái)越多的科研人員關(guān)注，并廣泛應(yīng)用到筆記本電腦散熱系統(tǒng)中。散熱系統(tǒng)的效率決定著電腦性能的穩(wěn)定性，筆者從此問(wèn)題出發(fā)簡(jiǎn)要分析的熱管的工作原理及特點(diǎn)，比在此基礎(chǔ)上提出了一種用溝槽代替平板面，以銅絲作為吸液芯的新型平板式微熱管，并對(duì)其進(jìn)行了簡(jiǎn)要分析。

關(guān)鍵詞：微熱管；筆記本電腦；散熱；傳熱極限

       隨著筆記本電腦性能的不斷提高，電腦中 CPU 主頻也在不斷上升，而其對(duì)應(yīng)產(chǎn)生的熱量也越來(lái)越大，但是筆記本電腦狹窄的空間不能迅速散發(fā) CPU 產(chǎn)生的熱量，持續(xù)的高溫將嚴(yán)重影響電腦運(yùn)行的穩(wěn)定性。微型熱管是伴隨著電子元件的發(fā)展而產(chǎn)生的一門新興技術(shù)，自從 1984 年 Cotter提出熱管的概念以來(lái)，微型熱管的結(jié)構(gòu)經(jīng)歷了重力型熱管、脈動(dòng)型熱管、微型溝槽型熱管，進(jìn)而發(fā)展到利用蒸發(fā)器內(nèi)的毛細(xì)芯產(chǎn)生的毛細(xì)力驅(qū)動(dòng)回路的環(huán)路型熱管。本文將著重對(duì)新型溝槽式平板微熱管進(jìn)行陳述。

1  熱管在筆記本電腦散熱中的研究概況

       筆記本電腦中的熱量絕大多數(shù)來(lái)源于電腦微處理器[1]，目前由于電子元件集成度的不斷提高，計(jì)算機(jī)芯片中的電路數(shù)目也在日益增多。微處理器不但對(duì)最高溫度有要求，對(duì)電腦運(yùn)行時(shí)溫度的均勻性有更高的要求，所以電子元件散熱器性能的好壞將直接影響電腦的工作性能。最初筆記本電腦中微處理器產(chǎn)生的熱量是依靠小風(fēng)扇進(jìn)行散熱的，但是這種方法效率極低且耗能高。因此，散熱問(wèn)題一直是筆記本電腦發(fā)展的技術(shù)瓶頸之一。

       在眾多的散熱技術(shù)中，熱管技術(shù)是 IBM 公司提出的一種很有效的散熱技術(shù)。熱管通過(guò)其內(nèi)部工質(zhì)的汽液相變來(lái)傳遞熱量，具有優(yōu)良的熱傳導(dǎo)性性和等溫性。而且熱管耗能低，安裝方便，改變了傳統(tǒng)的風(fēng)冷技術(shù)帶來(lái)的噪音問(wèn)題。因而具有廣闊的發(fā)展前景。但是由于熱管內(nèi)部傳熱機(jī)理的復(fù)雜性，國(guó)內(nèi)外對(duì)熱管內(nèi)部傳熱極限的研究還處于黑箱狀態(tài)。只有對(duì)其內(nèi)在機(jī)理深入研究，才能更好的發(fā)揮其良好的傳熱特性，才能更好的解決筆記本電腦和其他電子器件的散熱問(wèn)題。

2  熱管的工作原理與特點(diǎn)

       傳統(tǒng)的熱管一般由管殼、傳遞熱量的工質(zhì)和蒸汽通道組成。根據(jù)熱管內(nèi)部工作特點(diǎn)可將熱管分為三部分：吸熱段（加熱段），散熱段（冷卻段），介于蒸發(fā)段和冷凝段之間的絕熱段。熱管的一端受熱時(shí)，液體溫度上升，并在液面蒸發(fā)，直至達(dá)到飽和蒸氣壓，此時(shí)熱量以潛熱的方式傳給蒸氣，蒸汽在微小的壓差下流向另一端放出熱量凝結(jié)成液體，液體再依靠毛細(xì)力沿多孔材料流回蒸發(fā)段。如此循環(huán)不已，熱量由熱管的一端傳至另一端。

       熱管是通過(guò)內(nèi)部液體工質(zhì)的相變來(lái)傳遞熱量的，其傳遞的熱量遠(yuǎn)比通過(guò)輻射、對(duì)流或是傳導(dǎo)傳遞的熱量多。即它的導(dǎo)熱性能比常見的金屬材料大得多[2]。

       熱管的特點(diǎn)：a.優(yōu)良的導(dǎo)熱性：熱管內(nèi)部熱阻很小，因此具有優(yōu)良的導(dǎo)熱性能。當(dāng)然，高導(dǎo)熱性也是相對(duì)而言的，由于溫差的存在，所以不可能違反熱力學(xué)第二定律[3]，并且熱管的傳熱能力受到各種因素的限制，存在著傳熱極限。b.杰出的等溫性：熱管內(nèi)腔的蒸汽是處于飽和狀態(tài)，飽和蒸汽的壓力決定于飽和溫度，飽和蒸汽從蒸發(fā)段流向冷凝段時(shí)溫降很小，因而熱管具有優(yōu)良的等溫性。c.適應(yīng)溫度范圍廣，工作溫度可調(diào)：在制造熱管時(shí)，通過(guò)選擇不同的工作液體和管殼材料，可以使熱管適應(yīng)在 -150～1500°C溫度范圍內(nèi)工作。

3  熱管的傳熱極限及新型平板式微熱管的提出

       熱管的傳熱性能雖然很高，但也不可能無(wú)限地傳遞熱量。在實(shí)際使用過(guò)程中，存在著許多因素制約著熱管的工作能力，例如毛細(xì)力、聲速、蒸汽粘性力、液體的沸騰等。熱管傳熱量的類型取決于熱管在某工作溫度下各個(gè)傳熱極限的最小值。如果以熱管的工作溫度為分析依據(jù)，則可得到熱管的最大傳熱能力示意圖，如圖 1。

       筆者就針對(duì)當(dāng)前散熱市場(chǎng)發(fā)展現(xiàn)狀，結(jié)合自己多年對(duì)熱管結(jié)構(gòu)的研究，提出一種新型平板式微熱管并對(duì)其進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，該熱管選用銅絲作為吸液芯結(jié)構(gòu)，銅作為殼體材料，乙醇作為工作介質(zhì)。其結(jié)構(gòu)如圖2。

       整個(gè)熱管由裝有銅絲的基板、銅絲、隔板及上面帶溝槽的蓋板四部分組成。銅絲作為吸液芯增大了毛細(xì)力，溝槽型蓋板可以使傳熱面積大大增加，氣態(tài)工質(zhì)和液態(tài)工質(zhì)的流通通道是完全分開的，避免了氣液界面剪切摩擦力的產(chǎn)生。

4  結(jié)論

       隨著筆記本電腦 ＣＰＵ 主頻的不斷提高,  不采用特殊的散熱方法就無(wú)法保證 ＣＰＵ 工作的穩(wěn)定,  人們對(duì) ＣＰＵ 散熱器進(jìn)行了大量的研究,開發(fā)出了多種多樣的 ＣＰＵ 散熱器產(chǎn)品。近幾年的 ＣＰＵ 散熱器無(wú)論在設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)、使用效果和嚴(yán)謹(jǐn)性等方面都有了很大的提高。本文提出的一種新型平板式微熱管，用溝槽的設(shè)計(jì)代替平面散熱，增大換熱面積，提高換熱效率。以銅絲作為吸液芯結(jié)構(gòu)，增大了毛細(xì)力。對(duì)于這種新型的熱管具有以下優(yōu)點(diǎn)：由銅絲形成的槽道尖角區(qū)銳利，可以提供較大的毛細(xì)力；氣、液態(tài)工質(zhì)流通通道是分開的，這樣就可以完全避免汽液界面產(chǎn)生摩擦力；銅絲排列在基板上，可以形成較多的槽道。

       就目前來(lái)看，熱管在 CPU 中的運(yùn)用還不是很普及。國(guó)內(nèi)目前除能源所、研究院有進(jìn)行網(wǎng)目式微管技術(shù)的研究外，其它廠商大多從事制造網(wǎng)目式或溝槽式微熱管制造，其優(yōu)點(diǎn)包括成本較低、制造容易。然而使用這些形式的毛細(xì)結(jié)構(gòu)都無(wú)法提供較大的毛細(xì)壓差，造成微熱管在性能上無(wú)法提升。而使用銅絲形成毛細(xì)結(jié)構(gòu)、溝槽式散熱面，其結(jié)果可以有效提升微熱管的傳熱、散熱性能。

       未來(lái)在國(guó)內(nèi)發(fā)展這項(xiàng)產(chǎn)品與技術(shù)，不僅有助于國(guó)內(nèi)信息、醫(yī)療、儀器等產(chǎn)品的升級(jí)，利用微熱管技術(shù)所衍生的相關(guān)熱管產(chǎn)品如熱管散熱器、熱交換器等可以廣泛的應(yīng)用在各種需要精密溫控、散熱器的產(chǎn)業(yè)中。

參考文獻(xiàn)

[1]蘇蘋.關(guān)注筆記本電腦的散熱問(wèn)題[J].普及應(yīng)用，2000,1.

[2]B. R. Babin, G. P. Peterson, D. Wu. Steady-State Modeling andTesting of a Micro Heat Pipe. Journal of Heat Transfer. 1990, 112:595-601.

[3]施明恒，李鶴元.工程熱力學(xué)[M].南京:東南大學(xué)出版社，1995,9.

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