新型平板式微熱管在筆記本電腦散熱中的應用研究
摘要：隨著筆記本電腦的高速發展，電腦元件中單位體積的發熱量越來越高，而由于筆記本電腦結構和空間的限制，傳統的水冷和風冷技術已無法滿足日益增長的散熱要求。熱管由于其優良的傳熱性能和等溫性能被越來越多的科研人員關注，并廣泛應用到筆記本電腦散熱系統中。散熱系統的效率決定著電腦性能的穩定性，筆者從此問題出發簡要分析的熱管的工作原理及特點，比在此基礎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，并對其進行了簡要分析。
關鍵詞：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，而其對應產生的熱量也越來越大，但是筆記本電腦狹窄的空間不能迅速散發 CPU 產生的熱量，持續的高溫將嚴重影響電腦運行的穩定性。微型熱管是伴隨著電子元件的發展而產生的一門新興技術，自從 1984 年 Cotter提出熱管的概念以來，微型熱管的結構經歷了重力型熱管、脈動型熱管、微型溝槽型熱管，進而發展到利用蒸發器內的毛細芯產生的毛細力驅動回路的環路型熱管。本文將著重對新型溝槽式平板微熱管進行陳述。
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來源于電腦微處理器[1]，目前由于電子元件集成度的不斷提高，計算機芯片中的電路數目也在日益增多。微處理器不但對最高溫度有要求，對電腦運行時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生的熱量是依靠小風扇進行散熱的，但是這種方法效率極低且耗能高。因此，散熱問題一直是筆記本電腦發展的技術瓶頸之一。
在眾多的散熱技術中，熱管技術是 IBM 公司提出的一種很有效的散熱技術。熱管通過其內部工質的汽液相變來傳遞熱量，具有優良的熱傳導性性和等溫性。而且熱管耗能低，安裝方便，改變了傳統的風冷技術帶來的噪音問題。因而具有廣闊的發展前景。但是由于熱管內部傳熱機理的復雜性，國內外對熱管內部傳熱極限的研究還處于黑箱狀態。只有對其內在機理深入研究，才能更好的發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題。
2 熱管的工作原理與特點
傳統的熱管一般由管殼、傳遞熱量的工質和蒸汽通道組成。根據熱管內部工作特點可將熱管分為三部分：吸熱段（加熱段），散熱段（冷卻段），介于蒸發段和冷凝段之間的絕熱段。熱管的一端受熱時，液體溫度上升，并在液面蒸發，直至達到飽和蒸氣壓，此時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成液體，液體再依靠毛細力沿多孔材料流回蒸發段。如此循環不已，熱量由熱管的一端傳至另一端。
熱管是通過內部液體工質的相變來傳遞熱量的，其傳遞的熱量遠比通過輻射、對流或是傳導傳遞的熱量多。即它的導熱性能比常見的金屬材料大得多[2]。
熱管的特點：a.優良的導熱性：熱管內部熱阻很小，因此具有優良的導熱性能。當然，高導熱性也是相對而言的，由于溫差的存在，所以不可能違反熱力學第二定律[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：熱管內腔的蒸汽是處于飽和狀態，飽和蒸汽的壓力決定于飽和溫度，飽和蒸汽從蒸發段流向冷凝段時溫降很小，因而熱管具有優良的等溫性。c.適應溫度范圍廣，工作溫度可調：在制造熱管時，通過選擇不同的工作液體和管殼材料，可以使熱管適應在 -150～1500°C溫度范圍內工作。
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，但也不可能無限地傳遞熱量。在實際使用過程中，存在著許多因素制約著熱管的工作能力，例如毛細力、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傳熱極限的最小值。如果以熱管的工作溫度為分析依據，則可得到熱管的最大傳熱能力示意圖，如圖 1。
筆者就針對當前散熱市場發展現狀，結合自己多年對熱管結構的研究，提出一種新型平板式微熱管并對其進行結構設計，該熱管選用銅絲作為吸液芯結構，銅作為殼體材料，乙醇作為工作介質。其結構如圖2。
整個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力，溝槽型蓋板可以使傳熱面積大大增加，氣態工質和液態工質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生。
4 結論
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法保證 ＣＰＵ 工作的穩定, 人們對 ＣＰＵ 散熱器進行了大量的研究,開發出了多種多樣的 ＣＰＵ 散熱器產品。近幾年的 ＣＰＵ 散熱器無論在設計、結構、使用效果和嚴謹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，用溝槽的設計代替平面散熱，增大換熱面積，提高換熱效率。以銅絲作為吸液芯結構，增大了毛細力。對于這種新型的熱管具有以下優點：由銅絲形成的槽道尖角區銳利，可以提供較大的毛細力；氣、液態工質流通通道是分開的，這樣就可以完全避免汽液界面產生摩擦力；銅絲排列在基板上，可以形成較多的槽道。
就目前來看，熱管在 CPU 中的運用還不是很普及。國內目前除能源所、研究院有進行網目式微管技術的研究外，其它廠商大多從事制造網目式或溝槽式微熱管制造，其優點包括成本較低、制造容易。然而使用這些形式的毛細結構都無法提供較大的毛細壓差，造成微熱管在性能上無法提升。而使用銅絲形成毛細結構、溝槽式散熱面，其結果可以有效提升微熱管的傳熱、散熱性能。
未來在國內發展這項產品與技術，不僅有助于國內信息、醫療、儀器等產品的升級，利用微熱管技術所衍生的相關熱管產品如熱管散熱器、熱交換器等可以廣泛的應用在各種需要精密溫控、散熱器的產業中。
參考文獻
[1]蘇蘋.關注筆記本電腦的散熱問題[J].普及應用，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[M].南京:東南大學出版社，1995,9.
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