什么是平板热管?

什么是平板热管?

平板热管 是指一种平板形状的热管，属于热管的一种类型，并且平板热管比一般热管具有更加突出的优点，其形状非常有利于对集中热源进行热扩散。平板热管由于质量轻、良好的启动性和均温性的优势, 而成为目前电子元件散热方面的热点研究, 在国外已经得到应用。目前国内的研究成果很少。综述了平板热管目前国外的主要研究趋势、结构和加工方法的改进、参数优化、内部流动与传热的研究、毛细限和沸腾限及对多个热源冷却的研究等, 并对这些前沿的研究结论进行概述,指出了下一步的研究趋势和面临的主要挑战。介绍了平板热管技术的工作原理，加工制作技术、特点、热源影响以及未来发展展望等。

平板热管加工制作技术

采用传统加工技术产量低、代价高、机加工费时、报废率高，目前用金属辊压的方法来加工梯形槽，锯切加工矩形槽。这些加工方法的缺点是:毛细抽吸半径与烧结芯和金属网相比不是最小的，且要形成深槽不破坏壁面是困难的。另外，微型平板热管的加工方法大都采用分别加工上下基板，然后通过金属焊接或者键合等工艺实现上下基板的粘接。这样的工艺优点在于粘接牢靠、密封性好，但也存在加工难度大、设备造价高等问题。

刘晓为等 提出了一种微型平板热管的封装方法，他们采用低熔点金属作为焊料，通过特制模具对微热管壳体施加一定压力，在真空或者保护气体环境下加温熔化焊料金属，再冷却后，使得微型平板热管上下基板粘合在一起，以达到微热管的封装目的。该方法 *** 作简单、成本低廉、连接稳定可靠，能够满足微型热管正常工作需求。 张晓东等 提出了一种热型连铸法制造槽道式平板热管。这种方法可以铸出截面形状复杂、壁薄、细小的铸件，且铸件表面光洁、尺寸准确，给热管设计提供了很大的方便和灵活性。

另外，平板热管内部毛细芯的制作也是需要解决的关键问题。目前制作毛细结构的方法主要有:烧结、铜网、沟槽以及金属薄膜等。其中 Thermacore(美国)、Fujikura(日本)为平板热管生产主要领导厂商，其毛细结构都是以铜粉烧结方式制作。国内的奇双、双鸿、超众、旭扬热导、鼎沛等公司亦有研发平板热管，都是以铜粉烧结为主。

平板热管的研究现状

平板热管在微电子器件的散热和降低热流密度方面有着广阔的应用前景,对其进行的研究也在不断地深入。微型平板热管虽然结构简单,但是内部发生的物理过程十分复杂,影响热管传热性能的因素也较多。同时,微小型化使得热管的结构尺寸显著减小,内部物理过程的机理更趋于复杂,存在诸多不同于宏观情况的地方,进一步加大了研究的难度 。

综述国内外文献对平板热管的研究,主要集中在实验研究和理论研究两个方面。实验研究的难点在于平板热管实验件的加工上,微小型化使得传统的工艺无法满足要求,增加了加工难度,同时加工精度对实验测量数据的准确性有非常大的影响。理论研究在分析传热机理和高维度的数学建模上存在困难,一般的分析着重于热管传热特性的某一方面,综合考虑各因素后对其进行简化,从而建立相应的数学模型得到一些理论分析的结果。

平板热管常见问题

热管原理的热管简介

从热力学的角度看，为什么热管会拥有如此良好的导热能力呢？物体的吸热、放热是相对的，凡是有温度差存在的时候，就必然出现热从高温处向低温处传递的现象。从热传递的三种方式：辐射、对流、传导，其中热传导最快。。

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不锈钢发热管 【壹】发热管是一种管状会发热的电热元件。按材质分可分为金属管，玻璃管，陶瓷管， 【⑻】碳纤维管，硅胶管等。 [1] 金属管状电热元件(发热管)是以金属管为 【玖】外壳(包括不锈钢、紫铜。

请问电热管发热管加热管干烧管有何区别？

都是一样的，叫法不同而已。干烧管是指空烧，例如模具加热，烤箱，这些叫干烧。有些是液体加热，如，开水壶，这些用于液体加热的就不能叫干烧管了。至于用在哪里，方正要加热的地方都能用到啦

中温热管热管简介

简介

利用封闭在管内的特定工质反复进行物理相变或化学反应来传递热量的一种导热性极好的传热器件 。中温热管换热器内中温段热管一般选萘或N-甲基吡咯烷酮为其管内工质 。

分类

依工作温度范围的不同，热管可以分成深冷、低温、中温和高温等几种:

(1) 深冷热管: 工作温度范围为0~200K，工作介质可用纯化学元素物质，如氦、氩、氮、氧等，或化合物，如乙烷、氟利昂等。

(2) 低温热管: 工作温度范围为200~550K，工作介质可用氟利昂、氨、酒精、丙酮、水及有机物。

(3) 中温热管: 工作温度范围为550~750K，工作介质有导热姆、萘、水银等。

(4) 高温热管: 工作温度在750K以上，工作介质为钾、钠、锂、铅、银等液态金属 。

热管寿命

影响热管寿命的因素很多，但主要是热管的不相容性。造成热管不相容的主要形式有以下三个方面:产生不凝性气体;工作液体性质恶化;管套材料的腐蚀、溶解。通过合理选择热管的管材、工作液体、吸液芯结构等可使热管长期有效地服役于其工作温度范围,从而提高其使用寿命 。

工作原理

由于热管是通过工作介质的相变吸热和放热来传递热量，并可在管中充少量惰性气体，通过压力变化以调节冷凝段的传热面积，因此热管具有以下特性;①高的传热能力;②高的等温性;③具有变换热流密度的能力;④具有恒温特性 (可控热管) 。

贴近管内 壁处装有由多孔材料构成的毛细结构，称为"吸液芯"，管中则充入少量液态工质(如水、普通制冷剂、液态金属钠、锂等)。当其一端受热而另一端被冷却时，液态工质便在蒸发段中蒸发，产生的蒸汽经绝热段流向另一端后，被冷凝成液体同时放出汽化潜热，而凝结液通常可借毛 细作用重新渗回加热端。如此循环不已，从而将热量不断地从加热端传至冷却端。热管两端都发生物质的相变，相应的对流换热热阻均甚小，故在同样大小温度差下所传递 的热量可比相同尺寸的铜棒大数十 至数千倍。热管不仅构造简单、重 量轻、无噪音、可变换热流密度、充入适量惰性气体后可自动控制温度，而且管内不同截面上的温度相差不大，有良好的等温性，因而具有多方面的用途 。

研究历史

热管原理最早由美国人R.S.高格勒 (RichardSlechrist Gaugler) 于1942年提出。1964年美国科学家G.M.格罗弗 (George Maurice Grover)等独立地提出并制造了类似的元件，取名为"热管"，并首先用于航天飞行器。70年代为了将热管技术用于地面工业，发展了不用毛细多孔材料而利用重力使液体从冷凝端流回蒸发端，从而简化了结构，降低了成本。热管中的毛细多孔材料除去，将蒸发段置于冷凝段的下方即成重力热管或称闭式两相热虹吸管 。热管的概念是本世纪40年代提出的，60年代初制成了第1个实用热管。由于它显示出极高的导热特性引起了普遍地重视，热管问世不久便在电子、宇航等领域被用来冷却电子元件、电机转子等发热元器件，并在回收余热、预热空气、贮存能量和给水等节能领域得到广泛应用。目前，热管的理论日臻完善;它在许多方面的实际应用表明，热管技术是很有发展前途的 。

我国70年代初开始制造热管，并收到了较好的节能效果。随着科学技术的不断发展，这种高效传热的设备、器件必定在许多工艺过程中得到更广泛的应用 。

平板热管简介

电力电子装置内部产生的高热流密度对装置的可靠性造成极大威胁。由于高温导致的失效在所有电子设备失效中所占的比例大于 50%, 传热问题甚至成为了装置朝小型化方向发展的瓶颈。电子元件除了对最高温度的要求外, 对温度的均匀性也提出了要求。随着微电子技术的迅速发展，电子器件的微型化已经成为现代电子设备发展的主流趋势。电子器件特征尺寸不断减小(如微处理器的特征尺寸在 1990~2000 年内从 0.35 μm 减小到 0.18 μm)芯片的集成度、封装密度以及工作频率不断提高，这些都使芯片的热流密度迅速升高。因此电路及其芯片散热问题显得格外突出。而平板热管具有高的热导率和良好的均温性，成为解决电子散热问题的很有前途的技术之一 。

目前国内外的文献中对轴向平板热管研究较多, 径向平板热管通过降低热量传递方向上的热阻而达到高的热传导率, 这种热管传播器具有更大的冷却面积。由于质量轻、结构灵活、极高的导热性能等在很多方面都有广泛的应用。目前人们对平板热管的传热传质机理仍然缺少深入而准确的了解, 也没有建立起对平板热管设计的工作极限参数, 更缺少可靠的计算与设计方法。综述国内外热板的最新研究成果, 明确下一步的研究趋势和进展, 对电子元件冷却有重要的价值, 对于开发设计新型热板有重要意义。

平板太阳能平板集热器

介绍

平板式热管太阳能热水器是用热管代替普通平板集热器中的水管。热管内部的工作液体可以选用防冻的液体。在热管的蒸发段两侧焊有纵向肋片，肋片和热管上涂有选择性涂料，以吸收太阳辐射能。热管的冷凝段插人水箱中，当太阳光照射热管蒸发段的时候.热量通过涂层和金属管壁进人热管内部，热管内部的工作液体受热汽化，蒸汽流入到热管的冷凝段放出热量加热水箱中的水，蒸汽冷凝成液体后回流到热管的蒸发段接受太阳热重新汽化为蒸汽，再流入到冷凝段放出热量。如此反复循环。

优势

与一般平板式太阳能热水器相比.平板式热管太阳能热水器有如下好处:

①平板式热管太阳能热水器的热管一般均为重力式热虹吸管.它具有单向导热性的特点，即热量只能从蒸发段导向冷凝段，而不能从冷凝段导向蒸发段，因此.在北方地区当夜晚外界温度低于水箱内温度时，热量不会从水箱通过热管散失到外部环境中去;

②热管的工作液体可以采用防冻工质.在北方寒冷地区可以避免冬夜因温度过低而冻破热管;

③每根热管都是独立的热管元件.单根热管如有扭坏可以更换，而与系统无关，故安装维修均较方便，使用寿命长。

热管平板太阳能热水器的缺点是价格较高，为了提高传热效率，热管以及肋片最好采用铜、铝等有色金属，这就提高了制造成本。如果采用碳钢作为热管及肋片的材料，则价格可能与一般平板式太阳能热水器相差不多。

平板热管的特点

平板热管由于其自身的结构特点,在热量传递中表现出了良好的工作特性,主要体现在以下几个方面 :

高效的导热性

热管可将大量热量通过很小的面积远距离地传输而无需外加动力。平板热管相当于多只热管排列的散热元件,但与多只热管的排列相比,降低了管壁与管壁之间的接触热阻,具有更高的散热能力和效率[]。

热流密度的可变性

当热管稳定工作时,加热段吸收的热量等于冷却段放出的热量。所以通过改变加热和冷却的面积,就可以将局部的大热流密度高效地扩展到一个大的散热区域,进而使整体热流密度减小。

优良的等温性

平板热管不仅可以在轴向上进行传质换热,还可以进行径向的传质换热,使得热管壁面的温度梯度减小,均温效果十分明显。某些情况下整个散热区域的温差能控制在2℃之内,这样可以满足特殊场合电子元器件的要求,使电子元器件工作效率高。

热流方向的可逆性

对于一根水平放置或处于失重状态的有芯热管,内部循环力是毛细力,只要一端受热即可作为蒸发段,另一端为冷凝段。而重力热管则没有这一特性。

结构适应性

由于热管的传热不受外形的影响,可以根据具体的场合对热管的冷凝段和蒸发段分别进行设计,而且更安全可靠,可以长期运行。平板热管正是应用这一原理对常规热管进行改进,将其与电子器件之间的接触面做成规整的平面形状,与圆形截面热管或其他截面形状的热管相比,具有更大面积直接贴附热源而无需配加鞍座结构,降低系统的接触热阻,并可应用在笔一记本电脑NB、掌上电脑IMPC、机顶盒STB与多功能行动电话等轻薄短小、空间受限及高发热密度的电子产品

平板热管展望

近年来研究开发小型电子冷却用热板已成为国内外热管界及热管厂家的一个热点领域。理论和试验研究结果均表明平板热管具有非常好的传热性能。但是, 国内在这方面的研究、特别是在径向平板热管的研究尚处于起步阶段,在国内的电子市场上尚未看到有成熟的热板产品出现。平板热管的研究和应用还面临很多挑战。

( 1) 蒸气流动和传热过程已经进行了深入研究, 在蒸气腔中这些过程耦合液体的流动没有引起足够的重视, 热板的理论模型还停留在一维模型上, 大多为经验公式。还需建立复杂的三维模型。

( 2) 热管的内部结构还需进一步的优化。利用热力学第二定律来确定 的位置, 进行熵产分析来优化系统的性能和效率。优化蒸发面积, 使热量能够传到更大的冷却面积上。

( 3) 对材料和元件进行热和受力分析, 改进封装工艺。

( 4) 依据热势能耗散最小, 分析优化热管的传热, 与熵产最小的优化结果进行对比分析; 热管技术如何与其他领域研究相互配合、协同发展, 是微流动系统研究的另一重要挑战。

( 5) 对多个热源在平板热管上的的分布和优化是一个崭新的研究领域。

( 6) 加工制作过程中对热板的尺寸、形状、工质的充装量等的精确控制还面临很大困难。

( 7) 加工费用比较昂贵, 报废率高, 加工工艺有待完善。

( 8) 热管结构的可靠性以及热管性能能否长时间的保持, 还有待研究。

( 9) 平板热管用于能量转换是一项很有意义的研究, 有待进一步深入。

平板热管毛细限和沸腾限的研究

对于热板来说, 工质从蒸发端蒸发, 通过横截面积比较大的蒸气腔, 然后到达冷凝端进行冷凝。此时的蒸气流速比较低, 因此热板设计时不需要考虑声速限、携带限。另外,由于热板上下表面间的距离很小, 蒸气在两表面间流动的压力损失很小, 因此沸腾限和毛细限是影响热板性能的主要因素。毛细芯中的汽化核心阻碍了液体循环, 会导致过高的局部热流及毛细限的极大降低和局部热点的出现。

Krustalev D 等 通过守恒方程对微槽平板热管的最大传热能力进行了研究, 得到以下几个结论:

( 1) 单位宽度上槽道数增加, 传热系数增大。

( 2) 从垂直放置的铜水热管传热能力曲线可知, 热管存在最佳宽度和最佳深度。

( 3) 在某一处是否出现沸腾取决于此处的弯月面半径和过热度。

Cao 等给出了沸腾极限时的蒸气的临界过热度以及临界热流。可以知道微型热管的沸腾极限不仅与热管的工况有关, 而且还依赖于小的蒸气以及不凝气体气泡的有效半径。范春利等也对微槽平板热管可能出现的沸腾极限进行了研究。N.J.Gernert 等研究了多个分散热源扁平热管的性能, 通过总结最大液体和蒸气压降可以确定所需的毛细压降, 从而确定吸液芯的的核心半径来提供必须的毛细压降以防止干涸。

液固接触角减小, 则最大传热热流增加。在一般情况下, 毛细限限制着热管的传热性能, 但在高工作温度尤其是在热管竖直放置时热管以沸腾极限为主。在有重力辅助的热管中, 只要气泡可以从蒸发段迅速逸出, 真正的沸腾极限实际上是膜态沸腾极限。槽道宽度小、深度大的平板热管, 传热能力更大。较短热管, 沸腾限是主要的; 长热管毛细限是主要的限制因素。

热管余热回收器热管简介

热管是热管余热回收器的核心传热元件。

热管技术首先于1944年由美国人高格勒(R·S·Gaugler)所发现，并以"热传递装置"(Heat Transter Device)为名取得专利，当时因未显示出实用意义，而没有受到应有的重视。直到六十年代初期，由于宇航事业的发展，要求为宇航飞行器提供高效传热组件，促使美国洛斯--阿拉莫斯科学实验室的格罗弗(G·M·Grover)于1964年再次发现这种传热装置的原理，并命名为热管(Heat Pipe)，首先成功地应用于宇航技术，之后引起了各国学者的极大兴趣和重视。热管技术于上世纪七八十年代进入中国。

热管是一种具有高导热性能的传热组件，它通过在全封闭真空管壳内工质的蒸发与凝结来传递热量，具有极高的导热性、良好的等温性、冷热两侧的传热面积可任意改变、可远距离传热、可控制温度等一系列优点。由热管组成的热管换热器具有传热效率高、结构紧凑、流体阻损小、有利于控制露点腐蚀等优点。目前已广泛应用于冶金、化工、炼油、锅炉、陶瓷、交通、轻纺、机械等行业中，作为废热回收和工艺过程中热能利用的节能设备，取得了显著的经济效益。

平板热管结构的研究

平板热管按照工质在蒸气腔内流动的方向和传热机理的不同, 可分为径向平板热管和轴向平板热管 2种。常见的芯体结构有 3 种:

( 1) 烧结金属粉末芯: 能提供大的毛细力, 但在液体流道会出现大的压降, 其渗透率较差, 其轴向的传热能力仍较轴向槽道管芯及干道式管芯的传热能力小。

( 2) 槽道: 沿芯体的热阻低, 毛细力大多不足。传统工艺要达到更小的尺寸很困难。

( 3) 丝网屏芯: 流动热阻可以通过帮扎力度来控制, 比较灵活。主要缺点是温度降很大。

C. Gillot 等 计算发现槽芯尺寸在蒸发部分的有效导热系数很低。轴向槽的大尺寸限制了传热, 提出用硅制作热管槽道, 能达到 10 μm 的槽宽。结果表明: 用硅热管热量更均匀, 能使热阻降低。

Y. Avenas 等 试验表明: 硅热管的热阻比同尺寸的光硅管小 60%, 与同外形尺寸的光硅管相比在功率元件和热沉之间的热阻能降低 40%。

Liu 等提出在两层网屏之间用一列平行丝线连接。丝线为内部结构提供支撑来承受内部压力的变化,辅助流体的返回。结果表明: 屏网的数量对毛细压力有负作用。丝网数 150 时达到最大的传热能力。丝线直径的小增加引起传热能力的大幅增加。丝网层数增加能降低液体的摩擦压降, 增加流通面积而提高传热能力。厚度优化比数量优化明显。多层密网芯比单层疏网芯有更大的传热能力。采用传统加工技术产量低、代价高、机加工费时、报废率高。目前用金属辊压的方法来加工梯形槽, 锯切加工矩形槽。这些加工方法的缺点是: 毛细抽吸半径与烧结芯和金属网相比不是最小的,且要形成深槽不破坏壁面是困难的。

Wright- Patterson 等提出芯体由金属丝线制成, 丝布制成矩形屏并且插入热管比机加工的固体壁更容易。屏的小核心作为抽吸芯, 矩形槽作为主要通道芯。目前对热管设计参数优化的报道文献很少。吴小平等对冷凝面积进行优化, 结果为 LeDLc=0.3~0.6, 热管直径越大, L 的优化比越小。这是因为大直径热管能够提供更大的蒸发面积而导致蒸发热阻降低。查阅文献, 我们发现没有统一的设计标准, 热板的研究仍然处于实验室阶段, 没有成批的生产。余小玲等对混合封装电力电子集成模块优化模拟发现, 当基板底面等温时, 模块的结壳热阻最小, 并且芯片之间完全没有热影响。在此设计准则的指导下, 我们设计开发了一种用于电力电子集成模块散热用的小型径向平板热管, 将铜基板中心部分做成空腔, 空腔内抽真空, 注入一定容量的工质, 以径向平板热管代替铜基板。试验结果表明: 平板热管促使基板等温性增强, 提高了模块热扩散能力, 有着良好的启动性能和等温性能。

从不平衡热力学最小熵增理论出发, 丁信伟等 对热虹吸管内的热力学特性进行了熵增分析的研究, 对过程优化、减小热损失有重要作用。对平板热沉进行了熵产最小的优化, 计算结果得到了试验验证。下一步要进行热管系统的熵产分析, 利用熵产最小和场协同原理进行径向平板热管的参数优化研究, 提出一种与电子装置一体化的新型热管。

平板热管热源的影响

热源在平板热管上的布置，对平板热管的均温性及散热效果具有较大的影响。对于单一热源加热的平板热管，热源多布置在板的中心以提高其均温能力。然而因为多热源分布造成不均匀的热负荷分布，以往应用于单热源热管传热研究的传统的分析方法将不再适用，对多个热源在平板热管上的分布和优化是一个崭新的研究领域。

Chang 等 研究了平板热管在非均匀加热条件下的蒸发传热性能。得到了与田金颖等 相似的结果:蒸发器的热阻对加热条件并不敏感，即蒸发器的热阻在不均匀的加热条件下与均匀加热条件相比变化不明显。 Tan 等

利用 Dirac Delta 函数将多个蒸发段模拟成点热源，认为液体压降最小时热管的传热能力最优，此时热源有最佳的布置方式:对单热源，最佳位置在平板热管的中央; 对双热源和 4 个热源，最佳位置在与平板热管的中心对称的位置上。