李勇 陈春燕 揭志伟 曾志新

(华南理工大学机械与汽车工程学院∥表面功能结构先进制造广东普通高校重点实验室，广东广州510640)

热管作为一种高效的导热元件，近年来在各个领域备受青睐．常用热管有沟槽式热管［1-2］和烧结式热管［3］．烧结式热管具有较好的抗重力特性，因此在电子行业中的应用非常广泛．文献［4-8］对烧结式热管的制造、结构及传热性能进行了研究，发现影响烧结式热管传热性能的主要因素为吸液芯的孔隙率和渗透率．文献［9］中探讨了不同形态铜粉烧结而成的毛细结构的孔隙率及力学性能．文献［10］中对粒径小于75 μm和粒径在75～180 μm的球型铜粉烧结而成的热管蒸发的情况进行了比较，发现粒径较小的热管蒸发端的热阻较小．文献［11］中比较了粒径为5和45μm的铜粉分别与聚甲基丙烯酸甲酯混合烧结而成的吸液芯的微观结构，发现混入粒径为45μm的铜粉烧结而成的吸液芯孔隙率比较大，认为减少盲孔可提高吸液芯的性能．文献［12］中研究了粒径分别为大于37μm和小于37μm的电解沉积类铜粉，以及粒径分别为小于37 μm、(68±5)μm和(96±8)μm的氧化还原(OR-100)、水雾化(WA)和气体雾化(GA)类铜粉对平板热管吸液芯的收缩率、孔隙率、最大空隙直径、渗透率及热管热阻的影响，结果表明:粒径越大，吸液芯的收缩率越小，孔隙率、最大空隙直径和渗透率越大;粒径为(68±5)μm时WA类铜粉烧结而成的吸液芯热阻最小．文献［13］中比较了厚度为1．1～1．85 mm 且烧结铜粉粒径范围为 80 ～110 μm、110 ～140 μm、140～170μm的吸液芯的孔隙率和力学性能，发现粒径为140～170μm铜粉烧结而成的吸液芯力学性能好，毛细力比较大，回流阻力小，热阻最小，粒径范围越小热管的性能越好．文献［14］将粒径大小范围分别为45～75μm、106～150μm、250～355μm 的铜粉烧结成厚度为0．6～1．2mm的吸液芯并进行了比较，结果发现粒径为106～150 μm的铜粉烧结而成的吸液芯导热率最大，热阻最小．

可见，吸液芯的组成和厚度不同，最优的铜粉粒径范围也不同［12-14］．从生产者角度来看，希望烧结式热管的吸液芯越薄越好，以降低成本，但有关铜粉粒径对薄壁热管影响的研究较少，不同粒径铜粉的混合比例及混合铜粉各自粒径大小对吸液芯孔隙率及热管传热性能的影响也未见报道．粒径在109～180μm范围内的水雾化铜粉形成的吸液芯热阻比较小［13-14］，文中拟对该范围内铜粉粒径的分布对吸液芯厚度为0．5～0．6mm的圆形薄壁烧结式热管传热性能的影响进行研究，将粒径范围分别为(114．5±5．5)μm、(135±15)μm 和(165 ±15)μm 的铜粉按不同比例混合，改变烧结铜粉的粒径分布，探讨铜粉的粒径大小和分布对烧结式热管传热性能的影响．

1 实验

文中实验管的吸液芯是由水雾法制作的铜粉烧结而成，铜粉密度 ρcopper=8．9 g/cm3，粒径分别为(165±15)μm、(135±15)μm 和(114．5±5．5)μm，实验中这3种粒径的铜粉分别命名为A、B和C;将这3种铜粉两两进行混合，得到铜粉ABxy、ACxy和BCxy，其中 x=3，y=7;x=7，y=3．将上述 9 种粒径的铜粉分别填入外径D为5、6和8 mm(分别记为D5、D6和D8)的铜管，做好标记，并在930℃下烧结2h．吸液芯的厚度δ、管壁的厚度α及未填铜粉的光管质量mo如表1所示．

表1 热管尺寸参数Table 1 Size parameters of heat pipes

用灌注抽真空法［15］使热管填充一定量的水作为工质，并使内部的气压在80 Pa以下，接着用二次除气工艺除去剩余的不凝结气体，测出每种管内剩余工质的质量．

图1 不同粒径铜粉的烧结式吸液芯的SEM图Fig．1 SEM of sintered powder wicks with different copper particle sizes

不同粒径铜粉烧结而成的吸液芯的SEM见图1．图2为热管测试的实验装置，热管长度l为200mm，加热端和冷凝端各由两块铜块夹紧，铜块大小为50mm×30mm×13mm．加热端通过控制加热棒对铜块进行加热实现功率输入，冷凝端通过50℃的恒温水对铜块进行冷却．用热电偶测量热管的加热端两点的温度Te1、Te2和冷凝端两点的温度Tc1、Tc2．热管与铜块之间涂上硅胶，以减小接触热阻，热电偶的分布如图3所示．

图2 实验装置Fig．2 Experimental setup

图3 热电偶分布(单位:mm)Fig．3 Thermocouple distribution(Unit:mm)

热管初始输入功率P为10W，通过热管功率测试系统，记录下热管在不同功率下的稳态数据，热管正常工作时蒸发端温差ΔTe＜1℃，热管没有稳定工作时，加热端一端点的温度Te1不停上升，当ΔTe＞3℃时，判定热管烧干．热管正常工作能达到的最大功率定为热管的极限传输功率(MHTP)．

2 实验结果与分析

2．1 铜粉粒径对孔隙率及MHTP的影响

吸液芯的孔隙率ε可由空隙的体积Vpore和吸液芯的总体积Vtotal求出，即

设mcopper为铜粉的总质量，则

设ms为烧结管的质量，则

孔隙率为

从式(6)可以看出吸液芯的孔隙率与烧结后热管的质量呈负相关，ms越小，孔隙率ε越大．

图4给出了填好粉末的D5、D6和D8铜管烧结后的质量，其中dave为铜粉的平均粒径．从图4可以看出，各条曲线有相同的变化趋势．铜粉没有进行混合时，铜粉粒径范围比较集中，如 A、B和 C．从式(6)和表1可以算出，C类和A类铜粉烧结成D5、D6和D8热管中的吸液芯孔隙率分别为65．0%、64．2%、66．6% 和 73．2%、73．0%、74．7%．可见，A相对于C的平均粒径增加44．1%时，D5、D6和D8热管中的吸液芯孔隙率可分别增加8．2%、8．8%和8．10%．将铜粉进行混合后，烧结管的质量变化主要有两种方式:(1)将平均粒径相差比较大的铜粉进行混合时，混入的大粒径铜粉比例越大，烧结管的质量越小，即生成的吸液芯的孔隙率越大，如曲线C-AC37-AC73-A和曲线B-AB37-AB73-A;(2)将平均粒径相差比较小的铜粉进行混合时，铜粉形状的影响比较大，烧结管质量变化比较复杂，如曲线C-BC37-BC73-B．

图4 不同外径烧结管的质量Fig．4 Mass of sintered pipes with different outer diameters

表2给出了不同粒径铜粉的烧结式热管的MHTP对比，烧结铜粉的粒径对热管的MHTP的影响很大;当粒径在109～180μm的范围内，铜粉平均粒径越大，热管能够达到的MHTP越大，A的平均粒径相对于 C增加44．1%时，D8、D6和 D5热管的MHTP分别增加25、10和5W．

表2 不同粒径铜粉的烧结式热管的MHTP比较Table 2 Comparison of MHTP of sintered heat pipes with different copper particle sizes

将不同粒径的铜粉进行混合时，热管的MHTP会略微下降．小粒径铜粉占70%时，热管的MHTP基本上是最小的，与大粒径铜粉的烧结式热管相比，D5、D6和D8热管的MHTP最大分别减少了10、15和50W．小粒径铜粉比例相同时，将C换成B，D5、D6和D8热管的 MHTP最大可分别减小5、5和25W．大粒径铜粉占70%时，其热管的MHTP仅次于纯大粒径铜粉的热管的MHTP．造成这种现象的原因是:对于大粒径铜粉烧结而成的热管，其孔隙率比较大，工质回流时的阻力小，毛细抽吸力较高［16］，加热功率较大时，工质能及时通过吸液芯回流到蒸发端，从而实现大功率的传输;相反，粒径小的铜粉烧结而成的热管达到的MHTP较小．不同粒径大小的铜粉进行混合后，大粒径铜粉堆积形成的空隙会被小粒径铜粉填充堵塞，孔隙率下降，毛细抽吸力变小，因此MHTP也下降，并且混入的小粒径铜粉比例越大或粒径越小，堵塞会越严重．可见，要提高热管的MHTP，应使铜粉粒径范围尽量小，以避免因粒径不同而造成间隙相互堵塞．

2．2 铜粉粒径对冷凝端温差的影响

冷凝端温差ΔTc=Tc1－Tc2，图5给出了不同粒径铜粉烧结而成的热管的冷凝端温差，其中D5、D6和 D8 热管的冷凝端温差分别表示为 ΔTc，5、ΔTc，6和ΔTc，8，工质的质量分别为 0．71、0．83 和 1．21 g．由图5可以看出，冷凝端的温差随输入功率的增大而增大．相同外径、不同粒径的铜粉烧结而成的热管的冷凝端温差差别比较小，D5、D6和D8热管的冷凝端温差的差别分别小于 0．8、1．0 和1．5℃．

图5 不同粒径铜粉烧结成的热管冷凝端温差Fig．5 Temperature difference on condensation of heat pipes sintered by different-size particles

从图5(a)可以看出，输入功率为10～60W时，填充A铜粉的各类外径的热管的冷凝端温差都是最小的，填充C铜粉的最大，A的平均粒径相对于C增加44．1%时，可以使D5、D6和D8热管的冷凝端温差分别减小 47．6%、57．4%和 46．0%．从图 5(b)、5(c)和5(d)可知:不同外径的热管的冷凝端温差随着铜粉变化的规律不相同;随着输入功率的增加，外径为8mm的热管的冷凝端温差出现了减小的情况，较多出现先减小后增加再减小的现象，而此现象在外径为5、6mm或MHTP较低且外径为8mm的热管中均未出现．出现这种现象的原因在于:工质的质量相同时，不同粒径铜粉的烧结式吸液芯的储液量不同．如图6所示，当铜粉粒径较大时，吸液芯的孔隙率较大，能够存储的工质较多;当铜粉粒径较小时，容易在吸液芯外部残留多余的工质，热管正常工作时，这些工质会被蒸气带到冷凝端，加上孔隙率较小时工质回流受到的阻力较大，工质会留在冷凝端而发生阻塞，从而使冷凝端的热阻变大，温差较大．将不同粒径范围的铜粉进行混合，铜粉与铜管壁之间的接触状态较多样化，因此同一种铜粉在不同外径的热管内的分布也不同．热管功率较高时，内部气液变化比较剧烈且难以预测，所以冷凝端温差会出现时大时小的现象．

图6 大、小粒径铜粉烧结成的吸液芯中工质的分布Fig．6 Distribution of working fluid in wicks sintered by large-size particles and small-size particles

2．3 铜粉粒径对总热阻的影响

文中定义总热阻

式中，Te，ave和 Tc，ave分别为热管加热端和冷凝端的平均温度．

图7给出了不同粒径铜粉烧结而成的热管总热阻的变化情况，可以看出:铜粉粒径对热管总热阻的影响较小，相同外径的热管在相同功率条件下的热阻最大相差仅0．03℃/W．填充A铜粉的D5和D6热管的总热阻最小，填充C铜粉的热管的总热阻最大;A的平均粒径相对于C增加44．1%时，D5和D6热管的总热阻可分别减少20．7%和54．3%;D8热管的总热阻比较小，不同粒径铜粉烧结而成的热管的总热阻相差小于5%．不同粒径铜粉混合后，热管的总热阻随输入功率的变化规律在不同外径中是不相同的．

图7 不同粒径铜粉烧结的热管总热阻Fig．7 Total thermal resistance of heat pipes sintered by different size particles

3 结论

文中将不同粒径的铜粉进行混合，探讨铜粉粒径和配比对吸液芯孔隙率和热管传热性能的影响，得到如下结论:

(1)铜粉粒径对吸液芯孔隙率和热管MHTP的影响比较大．铜粉粒径比较集中时，A的平均粒径相对于C增加44.1%，可以使D5、D6和D8热管的孔隙率分别增加8.2%、8.8%和8.1%，MHTP分别增加5、10和25W．

(2)铜粉粒径对热管冷凝端温差和总热阻的影响较小．在不发生烧干的情况下，不同粒径铜粉烧结而成的D5、D6和D8热管，冷凝端温差的差别分别小于0.8、1.0和1.5℃，总热阻相差小于0.03℃/W，平均粒径越大，热管的冷凝端温差和总热阻越小．

(3)铜粉粒径范围应尽量小，以减小因粒径不同而造成的间隙相互堵塞．当小粒径铜粉占70%时，热管的MHTP是最小的，与大粒径铜粉烧结而成的热管相比，D5、D6和D8热管的MHTP可分别减少10、15和50W．当小粒径铜粉比例相同时，将C换成B，D5、D6和D8热管的MHTP可分别减少5、5和25 W．当大粒径铜粉占70%时，烧结式热管的MHTP仅次于全部为大粒径铜粉的烧结式热管的MHTP．将不同粒径范围的铜粉进行混合时，热管的总热阻和冷凝端温差的变化规律存在不确定性．

(4)铜粉粒径为(165±15)μm的水雾化铜粉适用于制作吸液芯厚度为0．5～0．6mm的薄壁烧结式热管．

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