微型圆热管拉拔成形的受力及变形分析

1 绪论
1.1 引言
随着电子科技的进步，许多电子产品不断地往高性能化、高功率化以及超薄、微
型化发展, 使得出现微电子芯片热流密度急剧增加而有效散热空间却日益狭小这一
尖锐矛盾，导致芯片工作温度急剧增加，这将严重威胁到电子产品的安全与使用寿命。

因此，对狭小空间内高热流密度电子设备的高效散热是亟需攻克的关键技术。

目前，
具有高导热率、良好等温性、快热响应、小尺寸而简单结构的微型热管已成为电子产品散热的理想导热元件。

微型热管的传热性能主要取决于管内壁吸液芯结构，而沟槽
吸液芯结构的微型热管则符合电子器件短小轻薄的发展方向。

但其管内壁沟槽结构的
加工是沟槽热管制造首要解决的问题，而传统的沟槽管犁削或旋压成形法加工均受
到刀具加工等条件限制而不能制造尺寸较小的微型沟槽管，尤其是对于Ф 4mm以下的微型沟槽管若采用旋压直接成形将难以实现。

因此，具有良好毛细吸液芯性能的微
型沟槽管加工是制造微型沟槽热管时亟待解决的问题。

1.2 本文的主要研究内容与目的
微型沟槽式圆热管具有很多的优点，用途极广。

本文对微型圆热管的拉拔成形机理
进行了研究，并基于实验研究和数值模拟方法，展开了微型热管拉拔成形的受力及变形
分析研究工作。

本文主要研究内容如下：
1）微型沟槽式圆热管拉拔成形机理与拉拔成形研究。

主要包括管材拉拔成形概述、管材拉拔成形模具设计、管材拉拔成形实验研究以及微型沟槽式圆热管拉拔成形研究。

2）微型圆热管拉拔成形的数值研究。

主要包括有限元方法概述、微小型沟槽式圆
热管拉拔成形有限元模拟。

1.3 国内外微型热管的应用现状与进展
目前，国外微热管产品的核心技术( 产品的设计和开发) 只被美日少数企业所掌握。

国内企业在微热管产品的关键技术上本身并不具备自行设计、研发及生产能力，只
有少数几个台资企业为美日大企业进行代加工。

由于美日企业量产成本及目标市场
的策略考虑，台资企业近年才获得美日大企业的技术转移，通过消化这些技术并开始自主研发，才逐步拥有了微热管生产的一些关键技术。

但国内其它企业对于高性能微热管技术的研究还处于起步阶段，没有自己的关键核心技术，离大规模化生产具有一定的差距。

1.3.1 国外研究现状
对于微热管研究，国外主要集中在管内蒸汽和液体流动的分析模型、数值模型以及微热管传热性能测试的研究。

自 1965 年 Cotter[1] 提出热管的基本理论以来，其研究成果就逐渐成为热管研究基础，特别是 Cotter[2]1984 年提出了微热管的完整概念，许多科研人员对微热管内部蒸汽和液体流动规律及传热机理进行探索和研究。

实际上，微热管性能受多方面因素的综合影响，如微热管材料、工作液体物性参数和吸液芯结构等等，其中液体蒸发过程和蒸汽冷凝过程都离不开吸液芯结构，且冷凝端液体只有依靠吸液芯的毛细作用才能从冷凝端回流到蒸发端，吸液芯结构在微热管的工作循环起着极其重要的作用，因此直接影响到微热管的传热性能。

许多研究人员对微热管的运行进行了理论和数值分析研究，但要获得整个微热管的运行分析解非常困难，因此建立了许多数值模型，其中一些复杂的数值模型既包括蒸汽流动也包括液体流动。

Vafai 和 Wang[ 3] 将液体流动、蒸汽流动、液－汽流动耦合效应、非达西输运等结合起来，研究了对称平面形状（包括圆盘形状和扁平形状）微热管的广义三维分析模型。

Zh u 和V af ai[ 4] 将液－汽界面流动耦合和多孔吸液芯的非达西输运结合起来，建立了低温圆柱形微热管的二维分析模型，以预测蒸汽和液体的速度和压力分布。

Valerie Sartre 等提出了预测微热管阵列传热的三维稳态模型，建立了三个耦合模型：微区域的求解方程、二维壁的导热和纵向的毛细两相流。

Yuw e n Zhang等在微通道强迫对流冷凝条件下，使用 VOF 方法（流体体积法）数值模拟了水平微热管中和平行板之间由于冷凝引起的毛细阻塞现象。

Z. Jon Zuo[ 5] 建立了数值模型描述微热管蒸发器多孔吸液芯中液体和蒸汽流动，在各种热流条件下，对包括孔径分布、吸液芯渗透率和厚度的蒸发器设计参数进行计算，发现蒸汽体积率极度依赖孔径分布，这对确定蒸发器的热流极限是非常重要的。

M. A. Hanlon 和 H. B. Ma[6]提出了一个二维模型预测烧结毛细结构的综合传热能力，模型考虑了吸液芯的热阻、毛细极限和最初核沸腾的情况，其数值解表明仅在吸液芯表面发生的薄膜蒸发在蒸发强化传热中起着重要的作用，其最大过热量是粒子半径、吸液芯孔隙率、吸液芯结构厚度和有效热阻的函数，并且对于最大传热量存在一个最优化厚度。

Sung Jin Kim 等研究了沟
槽吸液芯微热管的传热传质数学模型，考虑了液- 汽界面剪切应力、接触角和初始灌
注量的影响，并从理论上求解了稳态条件下的最大传热率和总热阻。

Xiao Ping Wu 等
建立了水平位臵下圆柱形微热管蒸发段L e 和冷凝段长度L c 之比的最优化模型和分析，对于微热管散热器常用的直径在4～6mm 的微热管，计算分析结果表明最优长度比
率为0.3～0.6，对于较大直径微热管则表明有较小的最优长度比率。

R-H a M a和T.S. Sheu[ 7] 通过理论方法分析和讨论了各种参数对三角形微沟槽（轴向湿润长度）毛细性能
的影响，对三角形微沟槽建立了包括接触角影响在内的一维非线性微分方程和代数方程。

R. H. Nilson 等推导了深度一致和宽度沿轴向递减的敞开式矩形微通道中蒸汽流
动的分析解，结果证明了锥形通道比矩形或三角形横截面直通道具有更好的冷却能力。

从理论分析和数值模拟中可以发现，影响微热管最重要的因素还是吸液芯结构，因
此如何改善吸液芯结构，以获得微热管的最优传热性能，科研人员做出了很多有益的研
究开发工作。

为避免吸液芯通道中液体出现过热而产生沸腾极限现象，Khrustalev 和Faghri 开发了一种倒弯月面型蒸发器扁平微热管，其中间部分是一个多孔板，蒸发段
有横向的三角形槽和纵向的矩形槽，而绝热端和冷凝端无沟槽，实验结果证实了这种微
热管的蒸发器壁能够承受高热流。

Jinliang Wang 和 Ivan Catton[ 8]在沟槽表面覆盖有一层
细孔结构来强化三角形沟槽的蒸发传热，这不仅仅提高了毛细压力，而且随着覆盖一
层细孔结构的沟槽中液体弯月面的退缩，蒸发传热性能得到了极大地提高，通过与没有细孔结构的三角形沟槽的蒸发传热性能进行实验比较，其蒸发传热系数是后者的 3～6 倍。

为减少汽－液界面上的粘性剪切应力，Shung-Wen Kang 等开发出一种具有三层结构、允许液体和蒸汽流动隔开的径向沟槽微热管，通过实验估计，微热管在 70%的灌
注率下的性能更好。

Lanchao Lin 等开发了一种高性能微热管以冷却高热流电子器件，
其吸液芯结构是在折叠式铜片翅上利用电火花技术加工出具有完全或部分敞开式沟槽
的毛细流动通道，在110℃的工作温度下，冷凝端传热系数提高到120%部分敞开式
沟槽毛细结构比完全敞开式沟槽毛细结构的更高些，若在集中加热方式下，可达到
高于140W/cm2的热流。

另外，M a n Lee 等研究了一种集成微热管系统的设计和制造，其中包括加热器、热管阵列、温度和电容传感器； Yimin Xuan 等为了强化蒸发过程，
在微热管的加热表面上烧结了一层铜粉，结果表明加热表面的多孔烧结层能够强化蒸发过程和改善平板微热管性能。

1.3.2 国内研究现状
国内主要针对工业热管进行研究，而且主要是针对其性能进行研究，对微热管特
别是其结构的研究文献报道较少。

国内南京化工大学热管技术开发研究院和浙江大学等研究机构对平板热管进行了研究和试验，李菊香的研究得出热管式均热平板在厚度方向上布臵的圆孔通道，其孔径越小，孔间距越小，工作表面上的最大温差越小；蒋金柱、庄骏设计了一种高导平板热管，采用加强筋增强平板的承压能力，并通过实验发现接触传热温差是传热温差的主要部分；牟其峥等针对矩形流动通道的平板热管进行了传热性能的试验研究，同时对其建立了数值模型，采用CFD 软件进行了计算，发现蒸汽流动呈抛物线型分布，并随流速的增加，在汽液交界面处会出现蒸汽局部回流现象。

胡幼明针对一种新型平板热管进行了理论建模分析及金属丝网表面沸腾的实验研究；陆耶耶对一种新型圆板热管特性进行了模拟及研究。

2 热管的基本概况
2.1 热管的基本定义
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。

热管是由密闭真空容器、毛细结构与工作流体构成，将热管抽成真空后，加入适
量的工作介质，然后密封。

工作介质在管内维持饱和状态，一旦热管一端在外热源作用下受热，工作介质吸热汽化，所产生的蒸汽流向热管另一端放热凝结，将汽化潜热释放出来传给外热汇。

而冷凝液在吸液芯毛细作用下回流至加热位臵，重新进行蒸发，由此不断循环工作。

一般热管内部往往加吸液芯结构以增大液体回流驱动力，较为常见的吸液芯结构有金属烧结芯、丝网烧结芯、内槽道芯等。

热管是利用液体工质的相变传热，具有极高的导热性、优良的等温性、热流密度可、恒温特性环境的适应性等优良特点，可以满足电子电器设备对散热装臵紧凑、可靠、控制灵活、高散热效率、不需要维修、噪音低和使用寿命长等要求，在微电子器件的散热和消除热点等领域有着广阔的应用前景，已在电气设备散热、电子器件冷却、
半导体元件以及大规模集成电路板的散热方面取得很多应用成果。

目前市场采用的微
电子散热热管为外径Ф6mm 以上的圆热管，或者再通过弯曲、压扁等工艺形成合适尺寸。

2.2 常用热管的规格
热管折弯限制
2.3 热管的基本工作
热管工作的主要任务是从加热段吸收热量，通过内部相变传热过程，把热量输送到冷却段，从而实现热量转移。

完成这一转移有 6 个同时发生而又相互关联的主要过程。

这 6 个过程[9]是： ( 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。

2.4 热管的工作原理以及工作特点
图 2.1 为热管的工作原理示意图。

热管由三个基本部分组成：一是两端密封的容器
图 2 . 1 热管工作原理图
（管壳），多数做成圆管状；二是由多孔材料（金属网、金属纤维等）构成的吸液芯，覆盖在器壁的内表面；三是容器内充满一定数量的液体工作液体（工质）及其蒸气。

将管内抽成一定的负压后再充以适量的工作液体，使管内壁的毛细吸液芯充满液体后加以密封。

管壁的一端为蒸发段（加热），另一端为冷凝段（冷却），根据需要可在中间设臵绝热段。

当热管的一端受热时毛细吸液芯中的液体蒸发，蒸汽在微小的压差下流向另一端放出热量凝结成液体，液体再由吸液芯的毛细力作用流回蒸发段，完成一个循环。

如此循环不停，热量由热管的一端传至另一端，放给冷源。

由此可见，当热管正常工作时，其内部进行着工质液体的蒸发、蒸汽的流动、蒸汽的凝结和凝结液的回流等四个工作过程，这四个过程构成了热管工作的闭合循环。

热管的基本工作原理表明，热管内部的整个过程没有涉及任何机械运动部件，是在没有外部动力的情况下完成的，同时热管的导热是借助于饱和工质的汽化与凝结换热而实现的，这是一种相变换热即潜热交换过程，不仅传热强度很大，而且转传热量也可以很大。

所以，热管的传热与一般固体以显著改变的方式传热有着质的不同，后者是通过自由电子的运动、分子的热运动而传递热量的，在数量上热管可以比一般固体导热大几个数量级，热管的导热能力不是一般导热器件或材料所能比拟的。

通过分析可知，热管除了具有导热性能好、传热量大的特点外，还具有理想的等温性、热流密度的可调性以及传热方向的可逆性等特点，同时，它能适应各种类型的热源、能满足单向传热的环境要求即具有“热二极管”的作用、能设计成具有热开关等特性，此
外还具有构造简单、重量轻、使用寿命长、故障率低等特点。

综上所述，随着芯片功耗急剧增加，普通风冷散热器已接近强制对流换热能力的极限。

影响风冷散热器效率的提高有两个因素。

一是存在较大的扩散热阻，即由于CPU（热源）面积小于热沉而导致局部温度过高，热源大小与热沉温度分布关系示意图如图 2.2 所示。

二是芯片至空气的平均热阻较大，如 IBM 4381 多芯片组件采用的冲击空气
图 2.2 热源大小对于热沉温度分布关系示意图
冷却方案，芯片至空气的平均热阻为17℃/W。

如何降低这两个方面的热阻成为进一步提高散热效率的关键。

采用热管可以解决这两个方面的问题。

热管是一种高效率利用相变传热的热传导器，其热阻可以达到0.001℃/W 。

Fujikura 公司开发出的一种称为“仙人掌”式热管，芯片至空气的平均热阻仅为0.5℃/W ；如热管蒸发段的平板面积与 CPU 面积一致，则可大幅降低扩散热阻。

可见，热管散热器的效率比普通风冷散热器的效率可以提高几十倍。

而且，在狭小空间内需要远距离输运热量以便散热的场合如笔记本电脑，必须使用热管。

因此，热管技术必将成为未来微电子芯片及其系统散热的主流。

2.5 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) 导热性很高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，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) 等温性优良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臵的有芯热管，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臵。

( 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) 。

2.6 热管的分类
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[ 1 0 ] 有以下几种。

2. 6. 1 按热管的运行温度分类
( 1) 低温热管低温热管是指工作温度在 4~200K 范围内的热管。

用氦做工质，可以在 4K 以下温度工作。

氢和氖可以在 20~30K 范围内使用。

温度再高一些，可用的工质有氮和氧。

在 100~200K 范围内常用的工质有甲烷、乙烷等。

低温工质的特点是传输系数均很小，毛细升高系数也很小。

他们与一般的工程材料均能相容，但用氢作工质时需注意氢脆的问题。

( 2) 中温热管中温热管是指工作温度在 200~700K 范围内的热管。

这是目前使用最广的一类热管。

在此温度范围内，水的热性能最好，能在 350~500K 温度下使用，缺点是与钢、铝等常用工程材料不相容，只能与铜长期相容，而且其凝固点高，因此限制了它的使用。

在 500~700K 范围内合适的工质并不多，目前常用的是导热姆、联苯等。

这一温区对于热能回收、化工过程有很大意义，但寻找合适的工质仍然是一个重要课题。

( 3) 高温热管高温热管是指工作在 700K 以上的热管。

用银作工质最高温度能达3000K。

高温热管的工质均是液态金属。

汞可在500K~900K 内使用，并具有良好的热力性能。

汞在常温下是液态，所以比其他金属易充装，但汞有毒又不能很好的湿润吸液芯，所以没有得到广泛的应用。

高温热管的传热能力比中温热管大的多，径向热阻比中温热管小的多，所能达到的最大径向热流密度也要高的多。

2. 6. 2 按工作介质的组成分类
按介质组成可分为：介质化学成分均一的但组分热管；介质为两种以上物质的混合物的多组分热管；以及管内除工质外同时还含有一定数量不凝结气体的充气热管。

2. 6. 3 按外部结构分类从外部形态看，热管有很多式样，不同的形式是为了满足不
同的需要。

外部形
式的多变性灵活性是热管得到广泛应用的一个重要原因。

目前，在实际应用中出现的比较多的有以下几种：(1)圆柱形；(2)圆形；(3)星形；(4)长挠性形；(5)传热面积随着螺旋松开而改变的挠性螺线管形；(6)蒸汽室形；(7)平板形；(8)分离式热管。

2. 6. 4 按凝液回流方式分类
常见的是重力热虹吸管和靠毛细力工作的吸液芯热管，此外，还有应用在特殊场合下的离心力旋转式热管、静电力点流体动力热管、磁力磁流体动力热管、渗透力渗透式热管等。

2.7 热管的相容性及寿命
热管的相容性是指构成热管的各种结构材料之间，以及结构材料和工质之间，在长期工作过程中是否发生化学、电化学及物理反应，使壳体及管芯遭受腐蚀，或使工质分解，并在密闭壳体内形成不凝性气体或固体沉淀物。

如果热管在工作温度范围内
长期工作不发生上述现象，或虽发生上述现象但后果不致影响热管的正常工作，则称之为相容。

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壁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。