散热热管之烧结型热管的参数设计与应用
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正文
由于计算机效能不断的增加，更高速的CPU已成为追求效能的重要指标，其结果导致Intel与AMD的CPU发热量不断攀升，从早期的Pentium只有十几瓦到现在的P4超过八十瓦的发热量，在笔记型计算机上，这样的发热量已经无法使用传统的风扇加上热沉（heat sink）来达到冷却的效果。因此，具备低热组，高热传量的热管逐渐在笔记型计算机上占有重要的地位。
国内已有数家热管的生产厂商从事热管的生产与制造，然而，都尚停留在网目与沟槽式的热管制造，对于烧结式热管的制造，仍以国外热管厂商Thermacore Inc.为主，国内尚无技术成熟的开发厂商。
因此，本文主要说明烧结式微热管的设计程序，包括烧结热管重要的参数：工质的选择、管壳材料的选择、毛细结构的选择。在这当中还需要考虑孔隙度、粉末粒径及烧结层厚度对于热管性能的影响，我们会从理论分析中利用一些参数作为评估的依据。
电子产品成败关键之重要因素在于其性能优劣。然而随着时代的需求，部分产品被要求携带方便，故轻薄短小也成为电子产品的必要条件，其中之一就是笔记型计算机的开发。为了兼顾性能及尺寸，它除了尽量缩小各原件尺寸，同时也大幅减少内部空间，原件越来越集中，甚至被设计成All In One，一方面造成热源被集中，另一方面内部空间减少造成散热更加困难。过去解决之道是在特定较大的发热源如CPU上加装风扇，配合设计的管道让热源散到外部。然而随着CPU处理速度越来越快，发热量也越大；尺寸要求越薄，过去使用风扇散热的方式受到极大的考验。1998年Intel更是直接要求厂商以热管配合外部鳍片风扇来解决笔记型计算机内部散热问题，在此之后国内外开始陆续有针对笔记型计算机使用的微热管进行研究，而国外也开始有量产商品出现。
热管系利用工作流体在相变化时所具有的潜热来传送热量。在操作温度范围内，其传热能力约为铜等高热传导性材料的数十甚至数百倍之多，因而有热的超导体之称。利用热管配合设计的模块将主要发热源产生的热量传到外部，除了有效解决小空间散热的问题，同时兼顾到无噪音、不须提供额外能量的优点。
热管操作原理
图1为一典型的热管示意图，外层是一个密封的管体，沿管壁内侧铺设一定之毛细结构，毛细结构吸附一定量的工质，而热管中央通道充满工质的饱和蒸汽。当热管的一端与热源连结时，热量通过管壁给毛细结构中的工质，液体表面温度升高使其自由表面上的蒸发加强，故加热端又称蒸发区；热管另一端与冷源结合或处于自然排热状态。蒸汽因蒸发区与冷凝区压差影响由蒸发区流到冷凝区凝结为液态，放出汽化潜热，通过管壁传出去。如果中间的管壁绝热条件良好，可同时忽略管壁导热影响，则蒸汽区得到的热量将全部交给冷凝区。
由热管的原理可知，维持热管工质不断循环流动是热管工作的基本条件，因此，毛细抽吸压力必须与工质液体压降和蒸气压降相平衡。其中毛细压差与其结构有关，而液体压降和蒸气压降则与毛细结构、工质特性有关之外，还随工质流量增大而加大。当热管的热负荷加大时，热管的质量流量也加大，当热流量增大到某一程度，毛细压差便不足以克服流动阻力，于是便发生流体中断。此时，我们称此为热管到达毛细工作能力的极限。在此之前热管能承受之最大热负荷称为最大热传量，因为这一最大热传量还与热管长度有关，所以也有用最大热传量与有效长度的乘积来表示热管的性能。当然，决定最大热传量并不只毛细限，还有所谓声速限、携带限等。
除了上述热传量之外，一般热管的另一个重要性能指针是热阻，与固体导热体相比，热管的热阻值很小，这是热管的主要优点。对于固体导热体而言，热阻随长度的增加而增大，但热管的热阻基本上取决于穿过蒸发区及冷凝区管壁及毛细结构厚度方向的热阻，因而热阻基本上与长度无关。
热管能有很小的热阻，除了表示他能在小温差下有很大的传热能力外，还意味热管有相当大的均温能力。同时热管重量轻、热容量小、不消耗额外功率、工作可靠，因而在某种程度上可成为良好的导热器材。除此之外，还可制作各种”可变热导”热管，这种热管在运作时，可改变热导或进行热流方向控制。热管的缺点，其一是，与固体导热体相比，热管的结构比较复杂，使用时还需考虑其热负荷和使用的温度范围。其二是热管中的毛细力比较小，在一般情形下还不足以完全克服重力，因此在地面使用时必然受方向的限制。
热管之设计考量
在设计一个热管之前，要针对设计热管规格，先考量几个问题：（1）选择使用工质，（2）选择管材，（3）选择毛细结构。因为这些因素决定之后，便已经限制你设计的热管的性能，而且这几个因素还需要互相搭配，例如要使用水为工质时，管材的选择就必须要与水不会发生反应的材质，另外，有些材质无法使用烧结的毛细结构来制作热管，这都是需要事先考量的，我们在以下分别说明：
(一) 选择工质
一般选择热管工质所要考虑的因素，除了热管操作温度范围、高热传量与低热阻，还需考量工质与管壳及毛结构的兼容性。
（1） 操作温度：选择沸点在操作温度附近的工质才能使其顺利在热管内部进行蒸发和凝结，若操作温度略低于工质沸点时，也可降低管内压力使其易于蒸发。而凝固点则必须低于最低操作温度，以防止工质凝固。考虑应用于笔记型计算机之微热管，其操作温度范围约在40~100℃间，可选用的工质列于Table 1。
Table 1 工质性质表
（2） 热传量：工质的表面张力大，在热管内部液体流动过程中产生的毛细力便增加，有助于液体的回流；汽化潜热大，表示单位质量吸收或释放的热量大，即热传量增加；液体黏滞系数小，在流动过程中阻力便降低，同样有助于液体的回流。这些工质的特性，都会直接或间接影响热管热传量，我们可以用Merit Number : 来表示工质传输特性：
M 越大，表示工质液体传输能力越大，热管的热传量也越大。图2为应用于笔记型计算机的热管操作温度下，可选用工质之温度与 的关系图。图中可以发现水较其它适用的工质约大了一个数量级数，而Flutec PP2与Flutec PP9则明显太小而不适用。
图2：工质之温度与M的关系图
（3） 热阻：一定蒸汽压降下，蒸汽温差小的工质使热管的轴向热阻较小。其次，径向热阻方面，对于本实验操作温度下适用的工质，导热系数都较低，温差主要取决于工质液体在毛细结构层中是否发生沸腾。针对本实验使用烧结层为毛细结构时，沸腾产生的蒸汽容易受到液膜阻碍而在烧结层内增加径向热阻，因此应选择较不易发生沸腾的工质。
（4） 管壳与毛细结构的兼容性：与管壳或毛细结构产生化学变化的工质是不能采用的。因此在选择工质时，也应与管壳同时考量。前人针对兼容性做过许多实验，Table 1为适合本实验操作温度下之工质，其与材质兼容性之试验结果。
经由上述考量，本实验采用水为工质进行实验。
(二) 管壳材料之选择
一般而言，应用于笔记型计算机的热管除了必须有足够的热传量，也必须尽量降低其热阻。因此，在选择管壁方面，必须选择传导率较高的材质，尤其对于管径较小的热管，管壁的传导率往往决定了热阻大小。基于这个因素，一般管壁可选择无氧铜。其特性是热传导率高，这将更有助于达到降低热阻的效果。此外，管壁材料的选择还必须考虑焊接时的气密性，挤压性良好的无氧铜在制造上将有助于保持内部低压的状态。最后，烧结时炉内部通氢气，无氧铜在这种还原气氛中，即使加热至高温亦不至于引起氢脆化现象。
(三) 毛细结构之选择
在毛细结构选择方面，一般较小尺寸的热管通常考虑使用单一结构，包括沟槽式、网目式及烧结式。本论文之所以选择烧结式，是因为烧结所产生的有效毛细半径很小，毛细力远大过于沟槽所产生的毛细力；而热阻方面，相较于网目式贴附于管壁不易紧密的缺点，烧结式热管所产生的热阻较网目式更低。
热管之设计规格
我们以Table 2的热管规格为例，其相关的参数表中所示。
这是为了制作适用于笔记型计算机内部的热管规格，管径不宜过大；而过小的管径也会造成热传量大幅降低，无法合乎要求。根据目前笔记型计算机尺寸的设计，热管管径在内部仅能占约3mm，因此在有限的外径下，增加管内径将有助于热传量的提升。但在减少管壁厚度的同时，必须考虑到热管在操作时必须承受约一大气压的压力差，管壁过薄将使结构上向内变形。对于纯铜的圆管在100℃时，平均直径与管壁厚度的比值必须小于79。若平均直径为3mm，则管壁必须大于0.038mm。因此，本实验在管壁设计上并不太需要考虑这个问题，反而是抽制铜管时，一般能抽到最薄的程度是多少。目前市面上常见到的热管，管壁大约都在0.3mm，故本实验选取无氧铜管C1020T，外径3mm，壁厚0.3mm，长度200mm。特别一提的是，热管长度的设计上，随笔记型计算机厂商设计热模块型式的不同而有不同的需求长度，在实验中订定200mm是考虑其为较一般使用的长度。例如在浩鑫的XPC当中，就使用6～8mm的热管作为导热之用，其长度也在150～200mm左右。
烧结层方面的尺寸设计，主要根据理论分析而来。烧结层会影响热管性能的因素主要包括烧结层厚度、孔隙度与粉末粒径。设计上，我们只能决定烧结层厚度与粉末粒径，而孔隙度在实验上目前是无法控制的变因，仅能在烧结后将其量测出来。热传量的计算，在前一章曾经提过它受五种限制影响，首先我们必须找出影响我们设计热管的真正限制为何。图3为假设管径3mm、以水为工质在不同操作温度下热传量受限于何种因素。图中可发现在这种小尺寸、操作温度约在40～100℃间主要受制于毛细限制。
图3：热管之各种限制影响
使用毛细限热传量公式计算理论热传量，图4为内径2.4mm、长度200mm、操作温度60℃水平放置之热管，固定单一烧结层厚度及粉末粒径，孔隙度对最大热传量及热阻之理论计算结果图。
由图中可发现，理论计算上随孔隙度增加，液体回流阻力减少，热传量大幅增加；而热阻方面则因为空孔增加造成烧结层有效传导率逐渐降低而使热阻逐渐增加。这时候孔隙度的选择就必须考虑我们制作的热管应用上是高热传量较重要还是低热阻值较重要。一般而言，热管在笔记型计算机的热模块上，热阻远比其它接触面产生的热阻要小很多，一味降低热管的热阻对于最后热模块合计产生的热阻几乎没有多大作用，因此这部分设计上还是尽量只考虑热传量的因素。这里介绍一个粉末特性的专有名词—视密度(apparent density)，其指粉末不作搅拌下呈松散状态的密度。视密度较低的粉末意味着当自然填粉时，造成的空孔较多，烧结后的孔隙度也较大。一般而言，电解粉较球状粉末有较低的视密度，故选择粉末时采用电解针状粉。这里特别注意的一点是，因为本实验在填粉过程中是采用让粉末自然堆积的方式，一旦粉末形状选择后，孔隙度就大致决定了，而能再改变最大热传量及热阻的因素就只剩烧结层厚度及粉末粒径。由于使用针状粉末堆积，在计算时与球状堆积结果会有不同，但趋势则大致是相同的。图5为内径2.4mm、长度200mm、操作温度60℃水平放置之热管，烧结层厚度、粉末粒径对最大热传量及热阻之理论计算结果图。而设定孔隙度为55%除了根据热管文献指出一般使用烧结式热管其孔隙度约在50～60%，本文实际量测结果也在此值附近。
图5：wick厚度、粒径与Qmax及R之关系
先看烧结层方面，增加烧结层厚度有助于最大热传量的增加，但也造成热阻值加大，当烧结层厚度约在0.5mm时有热传量的极大值，厚度再增加反而造成蒸汽通道过窄影响热传量。粉末粒径的影响主要在最大热传量方面，理论上其与热阻无关。由图中可发现，粒径增加有助于热传量的提升，当烧结层厚度逐渐增加，粒径增加对热传量的提升效果逐渐缩小；而当烧结层厚度较薄时，粒径增加几乎使热传量成等比例增加。但实际应用上仍有困难，例如使用烧结层厚度0.3mm、粒径约100mm的粉末，几乎已经占烧结层厚度的三分之一，在填粉时随时都有可能形成架桥（bridging），造成烧结层间断的情形。综合烧结层厚度与粉末粒径结果，显示烧结层厚度选择0.5mm、而粒径~100mm能有较大的热传量。实验采用Fukuda Metal Foil&Powder公司CE-8A电解纯铜粉，规格如Table 2所示：
上述资料由Fukuda Metal Foil&Powder公司提供
Table 2：本研究使用的相同粉粒径分布
一般制造粉末时，因很难制作出全部单一粒径的粉末，因此在选取粉末粒径时，仅考虑其平均粒径约在100mm左右。
结论
未来笔记型计算机的发展，必定朝向更高的处理速度及更广泛的使用范围，相对的热管设计也必须符合其规范，而使用烧结式微热管能在尺寸不变的情况下提升其性能，故研发与量产烧结式微热管已刻不容缓，如果厂商无法建立热管的设计能力，将无法面对热管为未来日益增加的需求。
未来在国内发展这项产品与技术，不仅有助于国内信息、医疗、仪器等产品的升级，利用微热管技术所衍生的相关热管产品如热管散热器、热交换器等可以广泛的应用在各种需要精密温控、散热的的产业中。
THE END
（作者来自工研院光电所及台湾大学机械工程学研究所）
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