热管的制程设计及导热性分析毕业设计.docx
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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............................................4
1.1前言...............................................6
1.2研究动机与目的.....................................8
1.3文献回顾..........................................11
第二章热管的结构与功能...............................13
2.1.热管结构组成及功能分析...........................16
2.2.热管的工作原理....................................19
2.3.热管的基本特性...................................23
2.4.热管的分类.......................................24
2.5.热管的相容性及寿命................................25
第三章热管制作工艺...................................26
3.2.1素材加工........................................26
3.2.2端部加工........................................27
3.2.3置网............................................27
3.2.4清洗............................................28
3.2.5填粉...........................................29
3.2.6连续烧结.........................................29
3.2.7缩软管及旋转焊...................................29
3.2.8热处理...........................................29
3.2.9工作液体充填....................................30
3.3.0抽真空、封合及测漏...............................31
3.3.1弯管与压管......................................32
3.3.2老化测试........................................34
3.3.3两点温差（4T）测试.................................39
第四章实验结果与讨论…………………………………………39
4.1新，旧制程各工序差异及优劣比较…………………………41
4.2.新制程导管的具体制造流程……………………………….41
4.3试验对比：
不同制程下导管的良率比较……………………42
4.4不同制程下导管的良率比较…………………………………43
4.5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（HeatPipe）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（Notebookcomputer,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（DuelCore）或是多核心（MultiCore），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）AspireL310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。
内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AspireL310:
250（长）*60（宽）*200（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PentiumOverdrive之散热器（1993）
后方–英特尔Pentium4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内部组织，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LosAlamos研究所展开一系列有关热管的研究，包括使用金属丝做成Wick结构并测试不同的工作流体，使得热管工作温度范围加大。
1970年TienandSun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（MaezawaandFujitsuCo.）所示，利用热管嵌入铝片中做成散热模块应用于笔记型计算机的散热。
Sauciuc等人所发表的超级纤维（SuperFiber），利用新型毛细结构来抵抗热管内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（MicroHeatPipe）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-5℃~5℃、长度在200mm~250mm之间时，直径3mm和4mm的热管分别可带走6.8W~9.5W和19.5W~47.5W的热量。
此外在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（VaporChamber）。
如图1.3所示Mehl等人以其公司开发之Therma-BaseTM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（hotspot），达到微处理器上的均温性。
图1.3司乐高科技Therma-BaseTM热板
而在台湾方面，早在1970年代就有热管的研究，当时主要以成功大学及大同工学院（今大同大学）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，IndustrialTechnologyResearchInstitute）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，亦使得台湾成为当今全球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（FoxconnTech.）等等，均为业界自有生产热管之大厂，也使得热管的应用发挥到极致。
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，越能减少容器内壁及外壁之温度差；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内部的低压状态。
素材
20℃之性质
比重ρ
（㎏/m³）
比熱CP
（kJ/kg℃）
熱傳導係數k
（W/m℃）
铝
2707
0.896
204
铜
8954
0.3831
386
不锈钢
（C<0.5%）
7833
0.465
54
陶瓷
1000
0.920
毛细组织主要在热管内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张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张力的存在，造成管内液面高度高于管外液面高度，此即为毛细作用。
在图中可见管内与管外有一高度差iZ，此高度差会造成一压差，压差与重力的关系可由2-1式表述。
Pl-Pv=（ρl-ρv）gZi（2-1）
图2.1毛细现象（Peterson1994）
液体压力（Pl）与气体压力（Pv）的差会与表面张力（σ）达到力平衡。
θ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。
另外表面张力之表示如图3.2，其中分子之间的作用力即为方程式3-2中之表面张力（σ）。
图2.2表面张力（Peterson1994）【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.高表面张力
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内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=18.2MΩ）来进行实验。
工作液体
凝结温度
（℃at1atm）
沸腾温度
（℃at1atm）
工作温度
（℃at1atm）
适用金属
Freon–113
（CCl2-CClF2）
-35
46.7
0-100
铝/铜
乙醇
Acetone（C3H6O）
-94.3
56.5
0-120
铝/铜
/不锈钢
甲醇
Methanol（CH4O）
-97.8
64.5
10-130
铜/不锈钢
水
Water（H2O）
0
100
30-250
铜/不锈钢
表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。
热管内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，将管内抽成1．3×（10负1－－－10负4）Pa的负压后充以适量的工作液体，使紧贴管内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）液体在蒸发段内的（液－－汽）分界面上蒸发；
（3）蒸汽腔内的蒸汽从蒸发段流到冷凝段；
（4）蒸汽在冷凝段内的汽．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）在吸液芯内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
2．2热管的基本特性
热管是依靠自身内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 热管内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 热管内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）热流方向酌可逆性 一根水平放置的有芯热管，由于其内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热管内部各段气压变化趋势
2.3热管的分类
上图表示了热管管内汽-液交界面形状,蒸气质量流量,压力以及管壁温度Tw和管内蒸气温度Tv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部毛细压差相平衡。
△Pc（毛细压头—是热管内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+△Pv+△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）按照热管管内工作温度区分 热管可分为低温热管（—273－－－0℃）、常温热管（0—250℃）、中温热管[250－－－450℃）、高温热管（450一1000℃）等。
[2）按照工作液体回流动力区分 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。
2．4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内，管内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、工作液体在管壳内连续流动，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：
（以烧结管作为范例）
3.2.1素材加工
将原长度2m无氧铜素材管裁切至所需尺寸（长度为150mm/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，之后浸入去渍油内初步清洁。
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张力降低外，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：
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