热管的制程设计及导热性分析毕业设计.docx

1、热管的制程设计及导热性分析毕业设计热管的制程设计及导热性分析毕业设计目录：第一章 概论.41.1 前言.61.2 研究动机与目的.81.3 文献回顾.11第二章 热管的结构与功能.132.1. 热管结构组成及功能分析.162.2.热管的工作原理.192.3. 热管的基本特性.232.4.热管的分类. .242.5.热管的相容性及寿命.25第三章 热管制作工艺.263.2.1 素材加工.263.2.2 端部加工.273.2.3 置网.273.2.4 清洗.283.2.5 填粉 .293.2.6连续烧结.293.2.7缩软管及旋转焊.293.2.8热处理.293.2.9 工作液体充填.303.3.

2、0 抽真空、封合及测漏.313.3.1 弯管与压管.323.3.2 老化测试.343.3.3两点温差(4T)测试.39第四章 实验结果与讨论394.1 新，旧制程各工序差异及优劣比较414.2.新制程导管的具体制造流程 .414.3 试验对比：不同制程下导管的良率比较424.4 不同制程下导管的良率比较434.5 总结与概括43第五章 毕业论文总结45参考文献47第一章序论1.1 前言电子、通讯与光电产业在二十一世纪的今日已经与人类生活紧密的结合在一起。相对的，由于技术上日新月异，也使得这些3C 产品中的电子芯片在运算速度与效能上大幅的上升。尤其芯片在运算时，因为时脉频率提升所对应之发热功率增

3、加，而造成电子散热的问题也随之产生。由表1-1知，电子组件之故障有55%来自于温度因素，由此可知控制散热的好快将可以大幅左右电子零件的效能。当电子组件的温度每上升10，寿命将会降低一半，并且大大影响其使用周期。而热管(Heat Pipe)的诞生正好可以有效解决电子散问题，目前也大量的用于电子产品散热之中，尤其以桌上型计算机(Desktopcomputer , D/T)、笔记型计算机(Notebook computer , N/B)及服务器(Server)最为普遍。1.2 研究动机与目的如前言所述，因着科技进步、芯片效能提升，更高的功率消耗及更高的芯片热通量，而导致发热功率上升，连带产生热问题需

4、要排解。例如以计算机来说，由于中央处理器(CPU)的效能不断提升，其频率频率与热能的产生量也趋近正比。虽然说现在的半导体制程及封装技术进步，中央处理器已经进化至双核心(Duel Core)或是多核心(Multi Core)，可分担芯片在运算时的耗能，有效降低单位发热量。但轻薄短小为现代社会对于电子产品之主流需求，不仅仅是笔记型计算机如此，桌上型计算机亦有如此趋势。如图1.1所示，宏碁(Acer) Aspire L310 桌上型计算机系列，只有一般传统型的1/10。就因为讲求轻薄短小，各个电子组件也想办法尽量集中。部可运用的空间亦相对减少，导致散热难度增加。而热管的选用即可以有效解决这个问题，因

5、为藉由其快速导热的特质可以有效的平均温度差，将热量由计算机中局部高温处传导至相对低温的地方，如系统风扇、机壳等等，达到快速散热的目的。图1. 1 宏碁Aspire L310 : 250(长)*60(宽)*(高)，单位：mm早期的散热模块大多以单一金属鳍片的结构组成，中后期亦加入风扇，利用强迫对流来散热。但随着计算机功率的增加，相对的散热模块必须越做越大，如图1.2所示。然而加入热管后，由于热管是藉由相变化的对流模式传输热量，而非传统的散热模块利用热传导模式传热，所以可将热量由发热端快速导至散热端，进而提升均温及散热之效果。有效减少散热模块的体积及重量，达到轻巧化的目的。图1. 2 前方 英特尔

6、 Pent ium Overdrive 之散热器(1993) 后方 英特尔 Pent ium 4 之摽准散热器(2005)1.3 文献回顾热管为藉由温差来快速传递热能的装置，它是一种传热的介质，亦可称之为热的超导体。主要特性就是不需任何外加能量就可以传热的被动组件。热管一词的概念。是由美国俄亥俄州G.M.公司R.S.Gaugler在1942 年所提出以毛细结构作为热传之观念而起，并在1944 年获得美国专利，当时采用烧结的铁粉当作热管的部组织，但并未有实际的工业运用。1963 年，热管一词首次出现于Grover 等人所提到的专利中。他在美国新墨西哥的Los Alamos 研究所展开一系列有关热

7、管的研究，包括使用金属丝做成Wick 结构并测试不同的工作流体，使得热管工作温度围加大。1970 年 Tien and Sun归纳出几种常用之毛细结构别为铜网(Mesh)、 纤维(Fiber)、沟槽(Groove)和金属粉末(Powder)为现今热管业界制造毛细组织之主要类别，并整理出其性能特征曲线之函数关系。1984 年 Cotter 首先提出微热管的概念，并指出非常适合于电子产品的散热组件。自此热管本身的效能进化以及在电子产品的应用也逐渐发展开来。例如Maezawa 的文献中针对热管在电子散热上的应用中(Maezawa and Fujitsu Co.) 所示，利用热管嵌入铝片中做成散热模块

8、应用于笔记型计算机的散热。Sauciuc 等人所发表的超级纤维 (Super Fiber)，利用新型毛细结构来抵抗热管工作液体的重力作用，兼顾毛细力与渗透率，与传统热管相较热阻约小2-3 倍。Moon 等人利用用微热管(Micro Heat Pipe)来进行散热。文中测试的条件包括工作流体的填充率、热管长度、蒸发端与冷端的长度、倾斜角度以及不同的发热功率。结果示直径3mm 和4mm 的热管，当工作流体填充率为29.3%和31%时，可以得到最小热阻。而且若斜角度在-55、长度在200mm250mm 之间时，直径3mm 和4mm 的热管分别可带走6.8W9.5W和19.5W47.5W的热量。此外在

9、热管本身也因着电子零件进步而有相对的进化，由一维(X)传热(热管)而进化成二维(XY)传热之热板(Vapor Chamber)。如图1.3所示Mehl 等人以其公司开发之Therma-Base TM 来解决电子散热，以更佳之二维传导来克服半导体上的热点(hot spot)，达到微处理器上的均温性。图1. 3 司乐高科技Therma - Base TM 热板而在方面，早在1970 年代就有热管的研究，当时主要以成功大学及工学院(今大学)为主，到1980 年末期才陆续有各大学加入研究的工作。90 年代起热管开始逐渐应用在计算机工业上，早期主要是应用于高阶笔记型计算机的散热，当时主要的供应厂商只有美

10、日两国，例如日本古河电工(Furukawa)、藤仓(Fujikura)以及美国的司热高科技(Thermacore)等等。我国的工业技术研究院 (ITRI，Industrial Technology ResearchInstitute) 在1980 年末期也由其能资所展开一系列的研究与开发，并经由经济部主导性开发计划利用产官学分工合作，将热管研发及制造技术转移至相关散热模块厂商，亦使得成为当今全球IT 市场中电子散热产业的重镇。现今如业强科技(Y.C. Tech.)、奇鋐科技(AVC)、超众科技(CCI)及鸿准精密(Foxconn Tech.) 等等，均为业界自有生产热管之大厂，也使得热管的应用

11、发挥到极致。热管为藉由温差来快速传递热能的装置，它是一种传热的介质，亦可称之为热的超导体。主要特性就是不需任何外加能量就可以传热的被动组件。第二章热管的结构与功能2.1.热管的结构组成及功能分析热管由三项元素所构成，管体、毛细组织及工作流体。散热的基本条件就是要能提供足够的热传量，所以能够有效的导热并降低热阻就成为首要的课题。素材选用需有热阻小及厚度薄两大特点，管素材之热阻越小，越能减少容器壁及外壁之温度差；而厚度则是取决热管是否好加工的重要关键。一般来说，热管的素材有铜、铝、不锈钢、陶瓷等等，其特性见表2-0。考虑管壁两端焊接时的气密性与加工性，铜的延展性在制造上亦有助于保持热管部的低压状态

12、。素材20之性质比重(/m)比熱C P(kJ/kg)熱傳導係數k(W/m)铝27070.896204铜89540.3831386不锈钢(C0.5%)78330.46554陶瓷10000.920毛细组织主要在热管扮演角色就是做为工作液体冷凝后返回蒸气区的通道，所以其好坏会直接影响传热的效应。基本上毛细作用即是利用液体与气体及固体接口间的表面力作用使液体流动的现象。毛细力对于工作流体的影响如图 3.1 所示，将一细管插入液体中，在管璧与液体中会有表面力的存在，造成管液面高度高于管外液面高度，此即为毛细作用。在图中可见管与管外有一高度差i Z ，此高度差会造成一压差，压差与重力的关系可由2-1 式表

13、述。Pl-Pv=(l-v)gZi (2-1)图2. 1毛细现象 (Peterson 1994)液体压力(Pl )与气体压力(Pv )的差会与表面力( )达到力平衡。接触角重新整理3-1/ 3-2 式可得由此可之液面高度差与管子半径成反比。也就是说，管子越细毛细作用越显著。另外表面力之表示如图 3.2，其中分子之间的作用力即为方程式3-2 中之表面力()。图2. 2 表面力 (Peterson 1994)【13】网格的渗透率K(permeability)为一量测液体流经毛细组织难易程度的参数。K 值越大，表示液体越容易通过毛细组织，反之则愈不容易通过。K 值的关系式如 3-4 所示 （3-4）由

14、上述方程式可知，要使热管能够达到最大的热通量，工作液体与毛细构造的接触角要尽量变小；另外需注意的就是有效半径小亦能提供较高的毛细压差，换句话说毛细结构越小，理论上毛细现象会越好。此外由方程式3-4 可知要提升热管的效益，毛细结构须具有较好的渗透率，也就是说对于工作液体流动时所产生的阻力要越小越好。但是毛细半径的大小又与渗透率成正比。所以如何寻求这两者间的最佳化搭配就是一个重要的课题。工作液体选用工作液体为热管传输能量之主要介质，选用时须具备下列特性：1. 高表面力2. 高密度与潜热3. 低黏度4. 管壳与毛细结构之化学兼容性5. 成本与经济性因为传热方式主要是藉工作液体之相变化来传输热量，所以

15、其选择需视使用场合之操作温度而定，选择沸点在操作温度附近的工作液体才能有效地在热管部进行蒸发与凝结的循环作用。表3.2 简述一般常见之热管工作流体。本文实验所选择的工作液体为超纯水 (导电度=18.2M) 来进行实验。工作液体凝结温度( at 1 atm)沸腾温度( at 1 atm)工作温度( at 1 atm)适用金属Freon 113(CCl2-CCl F2)-3546.70-100铝/铜乙醇Acetone (C3H6O)-94.356.50-120铝/铜/不锈钢甲醇Methanol(CH4O)-97.864.510-130铜/不锈钢水Water(H2O)010030-250铜/不锈钢表

16、2. 3 常用熱管之工作流體物理特性表热管工作原理热管技术是1963年美国LosAlamos国家实验室的G.M.Grover发明的一种称为“热管”的传热元件，它充分利用了热传导原理与致冷介质的快速热传递性质，透过热管将发热物体的热量迅速传递到热源外，其导热能力超过任何已知金属的导热能力。热管技术以前被广泛应用在宇航、军工等行业，自从被引入散热器制造行业，使得人们改变了传统散热器的设计思路，摆脱了单纯依靠高风量电机来获得更好散热效果的单一散热模式，采用热管技术使得散热器即便采用低转速、低风量电机，同样可以得到满意效果，使得困扰风冷散热的噪音问题得到良好解决，开辟了散热行业新天地。图2.4热管原理

17、示意图从热力学的角度看，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。热管就是利用蒸发制冷，使得热管两端温度差很大，使热量快速传导。一般热管由管壳、吸液芯和端盖组成。热管部是被抽成负压状态，充入适当的液体，这种液体沸点低，容易挥发。管壁有吸液芯，其由毛细多孔材料构成。热管一段为蒸发端，另外一段为冷凝端，当热管一段受热时，毛细管中的液体迅速蒸发，蒸气在微小的压力差下流向另外一端，并且释放出热量，重新凝结成液体，液体再沿多孔材料靠毛细力的作用流回蒸发段，如此循环不

18、止，热量由热管一端传至另外一端。这种循环是快速进行的，热量可以被源源不断地传导开来。 图2.5热管的组成及热量传递状况 热管的基本工作典型的热管由管壳、吸液芯和端盖组成，将管抽成13(10负110负4)Pa的负压后充以适量的工作液体，使紧贴管壁的吸液芯毛细多孔材料中充满液体后加以密封。管的一端为蒸发段(加热段)，另一端为冷凝段(冷却段)，根据应用需要在两段中间可布置绝热段。当热管的一端受热时毛纫芯中的液体蒸发汽化，蒸汽在微小的压差下流向另一端放出热量凝结成液体，液体再沿多孔材料靠毛细力的作用流回蒸发段。如此循环不己，热量由热管的一端传至另端。热管在实现这一热量转移的过程中，包含了以下六个相互关

19、联的主要过程：(1)热量从热源通过热管管壁和充满工作液体的吸液芯传递到（液汽）分界面；(2)液体在蒸发段的（液汽）分界面上蒸发；(3)蒸汽腔的蒸汽从蒸发段流到冷凝段；(4)蒸汽在冷凝段的汽液分界面上凝结：(5)热量从（汽液）分界面通过吸液芯、液体和管壁传给冷源：(6)在吸液芯由于毛细作用使冷凝后的工作液体回流到蒸发段。图2.6散热模组22热管的基本特性热管是依靠自身部工作液体相变来实现传热的传热元件，具有以下基本特性。(1)很高的导热性热管部主要靠工作液体的汽、液相变传热，热阻很小，因此具有很高的导热能力。与银、铜、铝等金属相比，单位重量的热管可多传递几个数量级的热量。当然，高导热性也是相对而

20、言的，温差总是存在的，不可能违反热力学第二定律，并且热管的传热能力受到各种因素的限制，存在着一些传热极限；热管的轴向导热性很强，径向并无太大的改善(径向热管除外)。(2)优良的等温性热管腔的蒸汽是处于饱和状态，饱和蒸汽的压力决定于饱和温度，饱和蒸汽从蒸发段流向冷凝段所产生的压降很小，根据热力学中的方程式可知，温降亦很小，因而热管具有优良的等温性。(3)热流密度可变性热管可以独立改变蒸发段或冷却段的加热面积，即以较小的加热面积输入热量，而以较大的冷却面积输出热量，或者热管可以较大的传热面积输入热量，而以较小的冷却面积输出热量，这样即可以改变热流密度，解决一些其他方法难以解决的传热难题。(4)热流

21、方向酌可逆性一根水平放置的有芯热管，由于其部循环动力是毛细力，因此任意一端受热就可作为蒸发段，而另一端向外散热就成为冷凝段。此特点可用于宇宙飞船和人造卫星在空间的温度展平，也可用于先放热后吸热的化学反应器及其他装置。(5)热二极管与热开关性能热管可做成热二极管或热开关，所谓热二极管就是只允许热流向一个方向流动，而不允许向相反的方向流动；热开关则是当热源温度高于某一温度时，热管开始工作，当热源温度低于这一温度时，热管就不传热。(6)恒温特性(可控热管)普通热管的各部分热阻基本上不随加热量的变化而变，因此当加热量变化时，热管备部分的温度亦随之变化。但人们发展了另一种热管可变导热管，使得冷凝段的热阻

22、随加热量的增加而降低、随加热量的减少而增加，这样可使热管在加热量大幅度变化的情况下，蒸汽温度变化极小，实现温度的控制，这就是热管的恒温特性。(7)环境的适应性热管的形状可随热源和冷源的条件而变化，热管可做成电机的转轴、燃气轮机的叶片、钻头、手术刀等等，热管也可做成分离式的，以适应长距离或冲热流体不能混合的情况下的换热；热管既可以用于地面(重力场)，也可用于空间(无重力场)。图2.7热管部各段气压变化趋势2.3热管的分类上图表示了热管管汽-液交界面形状,蒸气质量流量,压力以及管壁温度 T w 和管蒸气温度 T v 沿管长的变化趋势.沿整个热管长度,汽-液交界处的汽相与液相之间的静压差都与该处的局

23、部毛细压差相平衡。 Pc(毛细压头是热管部工作液体循环的推动力,用来克服蒸汽从蒸发段流向冷凝段的压力降 Pv,冷凝液体从冷凝段流回蒸发段的压力降Pl和重力场对液体流动的压力降(Pg可以是正值,是负值或为零,视热管在重力场中的位置而定)。因此， Pc Pl + P v + Pg是热管正常工作的必要备件。由于热管的用途、种类和型式较多，再加上热管在结构、材质和工作液体等方面各有不同之处，故而对热管的分类也很多，常用的分类方法有以下几种。(1)按照热管管工作温度区分热管可分为低温热管(2730)、常温热管(0250)、中温热管250450)、高温热管(450一1000)等。2)按照工作液体回流动力区

24、分热管可分为有芯热管、两相闭式热虹吸管(又称重力热管)、重力辅助热管、旋转热管、电流体动力热管、磁流体动力热管、渗透热管等等。(3)按管壳与工作液体的组合方式划分(这是一种习惯的划分方法)可分为铜水热管、碳钢。水热管、铜钢复合水热管、铝丙酮热管、碳钢荣热管、不锈钢钠热管等等。(4)按结构形式区分可分为普通热管、分离式热管、毛纫泵回路热管、微型热管、平板热管、径向热管等。(5)按热管的功用划分可分为传输热量的热管、热二极管、热开关、热控制用热管、仿真热管、制冷热管等等。24热管的相容性及寿命热管的相容性是指热管在预期的设计寿命，管工作液体同壳体不发生显著的化学反应或物理变化，或有变化但不足以影响

25、热管的工作性能。相容性在热管的应用中具有重要的意义。只有长期相容性良好的热管，才能保证稳定的传热性能，长期的工作寿命及工业应用的可能性。碳钢水热管正是通过化学处理的方法，有效地解决了碳钢与水的化学反应问题，才使得碳钢水热管这种高性能、长寿命、低成本的热管得以在工业中大规模推广使用。影响热管寿命的因素很多，归结起来，造成效管不相容的主要形式有以下三方面，即：产生不凝性气体：工作液体热物性恶化：管壳材料的腐蚀、溶解。(1)产生不凝性气体由于工作液体与管完材料发生化学反应或电化学反应，产生不凝性气体，在热管工作时，该气体被蒸汽流吹扫到冲凝段聚集起来形成气塞，从而使有效冷凝面积减小，热阻增大，传热性能

26、恶化，传热能力降低甚至失效。(2)工作液体物性恶化有机工作介质在一定温度下，会逐渐发生分解，这主要是由于有机工作液体的性质不稳定，或与壳体材料发生化学反应，使工作介质改变其物理性能，如甲苯、烷、烃类等有机工作液体易发生该类不相容现象。(3)管壳材料的腐蚀、溶解、工作液体在管壳连续流动，同时存在着温差、杂质等因素，使管壳材料发生溶解和腐蚀，流动阻力增大，使热管传热性能降低。当管壳被腐蚀后，引起强度下降，甚至引起管壳的腐蚀穿孔，使热管完全失效。这类现象常发生在碱金属高温热管中第三章热管的制造工艺与流程热管的制作流程详述如下：(以烧结管作为例)3.2.1 素材加工将原长度2m 无氧铜素材管裁切至所需

27、尺寸(长度为150 mm / 管壁厚度为 0.3mm )如图3.5 所示，再利用刀片刮除管口两侧毛边，之后浸入去渍油初步清洁。图3. 1 素材管裁切作业3.2.2 端部加工将素材管一端通过模具缩制成外径2.0mm 之导孔(缩头端)，作用为：1. 抽真空时与真空阀件衔接之通道2. 置网时之定位点3. 提供焊接用3.2.3 置网将铜网裁切成所需长度。铜网裁切长度定义法则为素材管总长减去两端缩管后之有效长度。可由下式表述(图3.6)：Lmesh=Ltotal-(Lhead+Lend)图3. 2 热管之铜网裁切尺寸表示图将裁切好的铜网，以治具滚卷成圆筒状，并伸入素材管中定位。之后素材管的另一端，通过模具缩制成外径2.0mm 之导孔(缩尾端)，如图3.7 所示，做为封合焊接的前置准备。图3. 3 缩尾端作业3.2.4 清洗清洗的目的主要是为了去除素材管之油污及氧化层的污染，因为不经过有效的清洗，有可能导致杂质的残留并混入工作液体中。除了造成热管在作动时表面力降低外，也会与毛细组织的产生化学变化影响相变化导热的功效。此外，有效的清洗亦有助于热管两端的焊接制程之封合效果，其步骤如下：1. 将素材管浸泡于含界面活性清洗剂 (氢氧化钠基(NaOH), 60 )之超音波清洗机中，清洗半小