复合结构吸液芯超薄热管传热性能

黄占林; 纪献兵; 姚泊丞; 刘家璇; 江京骋; 徐进良

doi:10.7498/aps.75.20251660

复合结构吸液芯超薄热管传热性能

1.
华北电力大学, 低品位能源多相流与传热北京市重点实验室, 北京　102206
2.
华北电力大学, 电站能量传递转化与系统教育部重点实验室, 北京　102206

通讯作者: E-mail: jxb@ncepu.edu.cn.;

Heat transfer performance of ultrathin heat pipe with composite structure wick

1.
Beijing Key Laboratory of Multiphase Flow and Heat Transfer for Low Grade Energy, North China Electric Power University, Beijing 102206, China
2.
Key Laboratory of Power Station Energy Transfer Conversion and System, Ministry of Education, North China Electric Power University, Beijing 102206, China

Corresponding author: E-mail: jxb@ncepu.edu.cn.;

摘要: 为突破超薄热管在制造工艺复杂性与传热性能之间的矛盾, 本文成功开发了一种厚度仅为0.4 mm的超薄热管, 其吸液芯采用创新的“铜槽道-植物纤维”分层复合结构. 以化学刻蚀铜槽道(深0.16 mm)为骨架, 以植物纤维为毛细功能层, 通过结构自限位实现一体化集成, 从而省去了传统复杂的界面处理工艺. 以去离子水为工质, 通过实验研究揭示了刻蚀参数、充液率及工作倾角对热管传热性能的协同影响机制. 结果表明: 槽深与刻蚀时间近似呈线性正相关, 而与温度则呈二次多项式关系; 适当提高刻蚀温度并缩短时间, 能够有效增大槽道表面粗糙度并增强其亲水性, 为高效毛细输运奠定结构基础. 在不同倾角下, 热管的总体热性能随工作倾角由逆重力向顺重力方向变化而持续改善. 在水平布置、充液率为30.6%、加热功率为7 W的工况下, 该0.4 mm超薄热管的热阻为0.75 K/W, 对应等效导热系数达11500 W/(m·K), 在结构高度紧凑的同时展现出优异的传热性能.
- 超薄热管 /
- 吸液芯 /
- 复合结构 /
- 传热性能
Abstract: This study presents the development of a high-performance ultrathin heat pipe (UTHP) with a thickness of only 0.40 mm, featuring an innovative “copper groove-plant fiber” hierarchical composite wick. This structure utilizes chemically etched copper micro-grooves (depth: 0.16 mm) as a structural backbone, with degreased cotton fibers embedded via geometric confinement by the groove ridges. This approach eliminates the need for high-temperature sintering or adhesives, thereby avoiding the interfacial thermal resistance associated with conventional composite wicks. Using deionized water as the working fluid, systematic experiments are conducted to investigate the synergistic effects of etching parameters, filling ratio (20.3%, 30.6%, and 40.8%), and orientation angle (–90°, 0°, 90°, and 180°) on thermal performance under heating powers ranging from 1 W to 10 W. The results show that groove depth is approximately linearly proportional to etching time and can be described by a quadratic polynomial function of etching temperature; increasing etching temperature while shortening duration effectively enhances surface roughness and wettability, providing a favorable foundation for capillary transport. Among the tested conditions, the UTHP with a 30.6% filling ratio exhibits the best overall thermal performance: it achieves the lowest total thermal resistance of 0.75 K/W at 7 W in horizontal orientation, corresponding to an equivalent thermal conductivity of 11500 W/(m· K). Transient response tests under 0–7 W step heating further confirm that this filling ratio yields the most balanced temperature rise across symmetric evaporation-zone sensors, indicating uniform liquid distribution and stable phase-change behavior. Orientation tests reveal that thermal resistance is highly sensitive to gravity direction: total resistance is minimized at 90° (favorable gravity) and maximized at –90° (adverse gravity). Detailed resistance decomposition shows that condensation resistance dominates under adverse or inverted orientations (contributing over 50% of the total resistance), whereas evaporative resistance becomes the primary limitation (~69%) in horizontal or favorable-gravity configurations. These findings demonstrate that the proposed UTHP successfully integrates structural compactness, simplified fabrication, and excellent thermal performance, offering a promising, low-cost, and eco-friendly solution for thermal management in ultra-thin electronic devices.
- ultrathin heat pipe /
- wick /
- composite structure /
- thermal performance .
图 1 超薄热管各结构表征示意图　(a)热管结构分解图; (b)植物纤维吸液芯表征; (c)槽道结构表征; (d)植物纤维吸液芯润湿性能

Figure 1. Structural characterization of ultra-thin heat pipe components: (a) Exploded view of the heat pipe structure; (b) characterization of the plant-fiber wick; (c) characterization of the groove structure; (d) wettability of the plant-fiber wick.

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图 2 超薄热管槽道结构刻蚀流程

Figure 2. Process flow of etching for ultra-thin heat pipe grooved structures.

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图 3 热性能测试实验装置示意图

Figure 3. Schematic diagram of the experimental setup for thermal performance testing.

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图 4 溶液温度、刻蚀时间对铜箔槽道深度和接触角的影响　(a)最大刻蚀深度变化; (b)槽道接触角变化

Figure 4. Effects of solution temperature and etching time on groove depth and contact angle of copper foil: (a) Variation of maximum etching depth; (b) variation of groove contact angle.

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图 5 刻蚀样品SEM图　(a)—(c)表面结构随温度的变化; (d), (e)表面结构随时间的变化; (f)单位微观凸起面积占比变化示意

Figure 5. SEM images of etched samples: (a)–(c) Surface structure variation with temperature; (d), (e) surface structure variation with time; (f) schematic of the variation in area fraction of micro-protrusions per unit area.

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图 6 铜箔槽道刻蚀机理分析示意图　(a)气泡演变及铜箔表面凹坑形成过程; (b)小凹坑槽道示意; (c)大凹坑槽道示意

Figure 6. Schematic diagram of etching mechanism analysis for copper foil channels: (a) Bubble evolution and pit formation process on copper foil surface; (b) schematic of channel with small pits; (c) schematic of channel with large pits.

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图 7 充液率对热管热阻的影响　(a)蒸发热阻; (b)冷凝热阻; (c)总热阻; (d)最佳传热功率与充液率的关系

Figure 7. Effect of filling ratio on thermal resistance of heat pipe: (a) Evaporative thermal resistance; (b) condensation thermal resistance; (c) total thermal resistance; (d) the relationship between optimal heat transfer power and filling ratio.

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图 8 较高热负荷下不同充液率热管槽道状况示意　(a) φ = 20.3%; (b) φ = 30.6%; (c) φ = 40.8%

Figure 8. Schematic illustration of groove conditions in heat pipes with different filling ratios under higher thermal load: (a) φ = 20.3%; (b) φ = 30.6%; (c) φ = 40.8%.

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图 9 功率阶跃(0—7 W)时不同充液率热管启动性能曲线　(a) φ = 20.3%; (b) φ = 30.6%; (c) φ = 40.8%

Figure 9. Startup performance curves of heat pipes with different filling ratios under a power step input (0–7 W): (a) φ = 20.3%; (b) φ = 30.6%; (c) φ = 40.8%.

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图 10 30.6%充液率下倾角对热管热阻的影响　(a)总热阻; (b)蒸发热阻; (c)冷凝热阻; (d)最小总热阻时蒸发和冷凝热阻分布

Figure 10. Effect of tilt angle on thermal resistance of heat pipes under 30.6 filling ratio: (a) Total thermal resistance; (b) evaporative thermal resistance; (c) condensation thermal resistance; (d) distribution of evaporative and condensation thermal resistances at minimum total thermal resistance.

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图 11 不同倾角热管运行截面示意　(a) θ = 0°; (b) θ = 180°; (c) θ = –90°; (d) θ = 90°

Figure 11. Schematic illustration of heat pipe operation with different tilt angles: (a) θ = 0°; (b) θ = 180°; (c) θ = –90°; (d) θ = 90°.

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图 12 不同文献中水平布置热管达传热极限时等效导热系数对比

Figure 12. Comparison of equivalent thermal conductivity of horizontal heat pipes at heat transfer limit across different literature.

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图( 12)

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1. 引　言

电子设备正朝着高度集成与微型化的方向快速发展, 导致其内部元器件密度显著增大, 热流密度也随之急剧上升, 这对散热设计提出了更为严峻的挑战. 然而, 传统散热技术已难以满足此场景下的散热需求, 散热能力的不足会直接引起设备芯片工作温度迅速升高, 进而导致性能衰减、可靠性下降, 严重时甚至发生烧毁失效. 在此背景下, 超薄热管(ultrathin heat pipe, UTHP)因其结构紧凑、导热性能优异等特点, 逐渐成为电子设备热管理系统的关键元件^[1-3]. 在超薄尺度条件下, 吸液芯结构对热管的传热性能具有决定性作用, 故而成为研究关注的重点. 其中, 槽道吸液芯与管壁一体化成型, 该设计有效避免了界面接触热阻, 还能使液体在蒸发段实现三面受热, 从而大幅提升薄液膜区的相变传热效率, 使其在超薄热管的应用中展现出独特潜力^[4-6].

对于槽道吸液芯超薄热管, 研究者从多个维度开展了深入探索: 2004年, Fan等^[7]率先通过实验验证了深槽结构对传热强化的促进作用; 2005年, Wang等^[8]建立了矩形微槽理论模型, 定量揭示了槽宽、槽数等参数对毛细力与流动阻力的耦合机制; 2008年, Lefèvre等^[9]提出气液耦合传输模型, 实现了温度场与压力场的精准数值模拟; 2009年, Wang等^[10]开发出挤压犁耕成型工艺, 成功制备出高深宽比微槽热管, 并推导出66.85—116.85 ℃温区的传热极限关联式. 同年, Lips等^[11]利用可视化技术首次观测到微槽内甲醇工质的核态沸腾现象, 从微观相变角度阐释了传热强化机制; 2010年, 陶汉中等^[5]系统整合了前期研究成果, 构建了涵盖“几何参数-流动阻力-传热极限”的完整理论体系. 然而, 槽道吸液芯超薄热管受限于固有毛细力与渗透率的倒置关系, 其传热性能已逼近物理极限^[12]. 即便经超亲水纳米流体改性, 传统微槽的润湿长度仍难突破毫米级, 无法满足超薄热管的性能需求^[13]. 为突破这一瓶颈, Wong等^[14]开发了烧结丝网-微槽复合吸液芯热管, 成功实现毛细驱动力与回流阻力的解耦控制, 在30°—90°倾角下仍能维持稳定的毛细循环, 其最大热负荷达双层丝网吸液芯热管的2.3倍. 后续Yang等^[15]通过表面氧化进一步强化了复合吸液芯的毛细力; 2023年, Wang等^[16]研制出厚度仅0.6 mm的多尺度条纹通道-丝网复合吸液芯超薄热管, 利用宏观条纹与微观孔隙的协调效应显著提升毛细性能, 在23.34 W热负荷下热阻低至0.79 K/W; 同年, Yi等^[17]采用分段复合设计并引入了多尺度铜粉优化结构, 使超薄热管的最大热负荷较单一吸液芯提升16.7%, 同时热阻显著降低.

上述研究通过理论建模、工艺创新与结构优化, 持续推动超薄热管从基础传热机制探索向高性能复合吸液芯结构设计演进. 然而, 当前主流的复合吸液芯方案, 如烧结丝网-微槽、多尺度条纹通道-丝网或泡沫金属-沟槽等普遍依赖高温烧结、激光微加工或精密装配等复杂工艺, 制造成本高、能耗大, 限制了其在低成本、大规模及绿色热管理场景中的应用. 尤其在便携式电子设备、可穿戴系统等对厚度、重量和可持续性高度敏感的领域, 亟需兼具良好毛细性能、简易制备工艺与环境友好特性的新型吸液芯结构.

针对这一挑战, 本文创新性地提出一种“铜槽道-植物纤维”分层复合吸液芯结构: 采用化学刻蚀工艺在铜基底上制备深度为0.16 mm的矩形槽道, 并利用槽道凸起的几何限位嵌入脱脂棉纤维作为内层吸液芯, 成功开发出厚度仅为0.4 mm的超薄热管. 这一新型分层复合吸液芯以化学刻蚀铜槽道为骨架, 以植物纤维为毛细功能层, 通过结构自限位实现一体化集成. 该方案将吸液芯制造简化为“刻蚀+嵌入”两步, 有效规避了传统金属复合吸液芯中存在的工艺复杂性. 既保留了金属基底的高导热性, 又引入了生物材料的强毛细输运能力与可持续性, 为突破传统复合吸液芯的工艺与性能瓶颈提供了新路径.

4. 实验方法及数据处理

4.1. 实验方法

将刻蚀后的铜箔切割为尺寸20.0 mm×20.0 mm×0.20 mm的标准测试样品, 对最大刻蚀深度、表面结构特征及润湿性能进行测试, 具体测试方法如下: 最大刻蚀深度测试采用游标卡尺测量样品3个不同槽道位置的厚度, 取所有测量值中的最小值, 再根据公式“最大刻蚀深度=初始铜箔厚度–槽道最小厚度”计算得出结果; 表面结构特征分析则利用SEM采集测试样品槽道表面的微观形貌图像并观察分析; 润湿性能测试通过光学接触角测量仪进行, 测试时随机选取3个测量点, 所用去离子水液滴体积为5 μL, 取3次测量数据的算术平均值作为该样品槽道结构的表面接触角, 进而确定其润湿性能.

为探究刻蚀参数对表面性能的影响, 设定变量控制方案如下: 探究刻蚀时间对最大刻蚀深度的影响时, 选取刻蚀温度60 ℃, 刻蚀时间分别为6, 7, 8, 9和10 min的样品; 探究刻蚀温度对最大刻蚀深度的影响时, 选取刻蚀时间8 min, 刻蚀温度分别为40, 50, 60, 70和80 ℃的样品; 研究刻蚀时间对表面结构与润湿性能的影响时, 选取刻蚀温度为60 ℃, 刻蚀时间分别为8, 9和10 min的样品; 探究刻蚀温度对表面结构与润湿性能的影响时, 选取刻蚀时间为8 min, 刻蚀温度分别为50, 60和70 ℃的样品.

进行热性能测试时, 鉴于文献[21]的实验结论, 在本文工作温区(40—90 ℃)内, 去离子水具有优于常见有机工质(FCM-47、无水乙醇、丙酮和R1233zd)的综合热性能, 因此本文仅选用去离子水为工质开展实验. 实验初始功率设定为1.0 W, 以热管6个测温点在3 min内温度波动幅度≤0.5 ℃作为温度稳定判据; 待温度稳定后进行数据采样, 随后每次将功率增大1 W, 并重复上述温度监测与采样过程, 直至蒸发段较高温度(即max{T₅, T₆})接近90 ℃时停止实验, 该温度阈值的设置旨在保护实验设备, 避免其因过热损坏.

4.2. 数据处理

蒸发热阻、冷凝热阻和总热阻是评价热管传热性能的核心指标. 故对热管的总热阻、蒸发热阻和冷凝热阻进行计算, 计算公式如下:

式中, Q为加热片的输入功率, 单位为W; R_t为总热阻, 单位为K/W; R_e为蒸发热阻, 单位为K/W; R_c为冷凝热阻, 单位为K/W; T_a为绝热段平均温度, 单位为℃; T_e为蒸发段平均温度, 单位为℃; T_c为冷凝段平均温度, 单位为℃.

3个平均温度的计算公式如下:

等效导热系数$ {\lambda }_{\text{eff}} $衡量热管在工作时的导热能力强弱, 其计算公式如下:

式中, A为热管横截面积, 单位为m²; L_eff为热管等效长度, 单位为m.

L_eff的计算公式如下:

式中, L_e为蒸发段长度, 单位为m; L_c为冷凝段长度, 单位为m; L_a为绝热段长度, 单位为m.

4.3. 不确定性分析

实验中的不确定性主要是来自以下几个方面: 实验所用K型热电偶测温标准不确定度为±0.2 ℃; 数字功率计的电压、电流的相对标准不确定度均为0.1%, 根据误差传播定律, 输入功率测量的合成标准不确定度为0.14%; 热阻的合成标准不确定度为2.40%; 用0.02 mm分度的游标卡尺测量热管长度, 其相对标准不确定度为0.025%, 则等效导热系数的合成标准不确定度为2.96%.

6. 总　结

本文采用低成本化学刻蚀工艺在铜箔表面制备了超薄热管的微槽道结构, 并创新性地利用槽道凸起的几何限位作用复合植物纤维(脱脂棉)吸液芯, 成功研制出厚度仅0.40 mm的超薄热管. 通过实验研究揭示了刻蚀参数、充液率及工作倾角对热管传热性能的协同影响机制, 主要结论如下:

1)在本研究的刻蚀温度范围内(40—80 ℃), 槽道深度与刻蚀时间近似线性正相关, 与刻蚀温度呈二次多项式关系; 适当提高刻蚀温度并控制时间, 可在获得目标深度的同时, 形成具有微米级凸起的粗糙表面, 显著提升亲水性, 为高效毛细输运奠定结构基础.

2)充液率通过调控蒸发端供液充足性与冷凝端回流通畅性, 使热管的总体热性能随充液率的增大先变优后变劣. 在20.3%, 30.6%和40.8%充液率中, 30.6%充液率的热管在Q ≥ 7 W表现出最优的综合热性能, 传热恶化起始点明显延后. 该充液率的热管在水平布置、7 W加热功率工况下实现最低热阻(0.75 K/W), 对应等效导热系数达11500 W/(m·K).

3)热管的总体热性能随工作倾角由逆重力向顺重力方向变化而持续改善: 在θ = –90°(竖直逆重力)至θ = 90°(竖直顺重力)范围内, 总热阻单调递减; 其中θ = 90°时性能最优, θ = –90°时最差. 该趋势源于重力对冷凝液回流的调控作用: 顺重力辅助工质毛细回流, 逆重力阻碍工质毛细回流.

4)“铜槽道-植物纤维”复合吸液芯通过几何限位实现纤维的稳定嵌入, 无需高温烧结或黏结剂, 有效规避了传统金属复合结构中的工艺复杂性问题; 其中, 铜槽道构成宏观低阻回流通道, 植物纤维提供微观高毛细压区域, 二者协同形成梯度孔隙输运机制, 在热管整体厚度仅为0.40 mm的超薄紧凑结构下, 仍保持优异的热性能, 同时兼具低成本、可再生与环境友好特性.

需要指出的是, 本研究仍存在若干局限性.

1)实验仅在特定功率范围(加热功率1—9 W)下开展, 尚未验证该超薄热管结构在高功率或高温工况下的传热极限与长期稳定性;

2)工质仅选用去离子水, 未考察乙醇、丙酮等有机工质或混合工质在不同温区下的适配性;

3)未系统研究植物纤维预处理工艺、充液率与刻蚀参数的耦合调控效应, 热管结构与性能仍有进一步优化空间.

针对上述不足, 后续工作将重点开展以下研究.

1)拓展功率与温度测试范围, 评估热管在高功率下的干涸机制、失效临界值与长期可靠性;

2)探索水-乙醇等混合工质体系, 以兼顾低温启动性能与宽温域传热适应性;

3)增加植物纤维表面改性等预处理工艺, 进一步提升吸液芯毛细输运效率、结构耐热性与长期稳定性.

参考文献 (26)

复合结构吸液芯超薄热管传热性能

通讯作者: E-mail: jxb@ncepu.edu.cn.;

Heat transfer performance of ultrathin heat pipe with composite structure wick

Corresponding author: E-mail: jxb@ncepu.edu.cn.;

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复合结构吸液芯超薄热管传热性能

通讯作者: E-mail: jxb@ncepu.edu.cn.;

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