张宇飞 邢波涛
中国安能集团第三工程局有限公司 四川省成都市610036
摘要：科技的发展，我国的机械加工行业有了很大进展，对热管的应用也越来越广泛。本文简要介绍微沟槽加工技术的研究现状，同时对各种加工方法的优势和劣势进行分析，并对未来微型沟槽型热管沟槽加工技术的发展趋势进行了展望。
关键词：微型热管；微沟槽；加工
引言
微型热管具有结构紧凑、热导率高和均温性好的优势,在高功率电子设备散热领域备受关注。微型热管主要包括脉动热管(振荡热管)、微槽平板热管、微型环路热管和微型毛细泵回路等类型。相对于其他热管,脉动热管具有散热性能好、毛细管通道便于实现小型化的优点;微槽平板热管具有接触热阻小、单处工质泄露影响小、抗压强度高的优点。因此,脉动热管和微槽平板热管更加贴近微小型电子系统冷却的需求,其传热性能研究一直是学者们追踪的热点问题,也是本文拟比较的两种微型热管类型。
1机械加工技术
1.1热管防止机床主轴受热变形
热变形就是机械加工时机床受到摩擦、内应力等作用的影响容易发热，发热导致机床几何结构变形，造成工件生产误差降低精度。而随着机械加工高速发展，对机床要求也越来越高，机床进入高速化、高精度化与柔性自动化时代，工件受热变形的影响越来越大，比重逐年增加，所以这方面必须引起重视，不断的寻求方法给机床散热。机床散热的重要手段就是给机床加上冷却系统。传统的冷却系统主要是水冷、风冷、油冷等方便原理简单，可是存在很多缺点，有些部件无法用此方法来散热特别是主轴，而且结构复杂附带系统多，为保证冷却介质快速散热必须加添一个动力系统，铺设个多的管道以便冷却介质最大限度的传导热量，设备的增加给机床带来负担还容易造成介质泄漏与噪音污染的问题的出现，况且效率不是很高。采用热管散热很大程度解决以上问题，热管散热器由很多种，如单支热管、分离型热管、环形热管等，其中对机床主轴散热最有效的就是环形热管散热器，它被称为“环形蒸发器”。
1.2高速充液旋压法
高速充液旋压法的加工原理是通过拉拔力的作用使铜管与游动芯头做相对运动，同时旋压珠在充液油腔内高速旋转并挤压铜管，在二者的共同作用下铜管内壁发生塑性变形，形成与刀齿相对应的微沟槽。充液油腔内充满了润滑油，可以使钢球和铜管外壁之间有良好的润滑，提高了表面质量，并发挥了一定的冷却作用。华南理工大学的ＴａｎｇＹ等在壁厚比1.16、旋转速度300ｒ／ｓ、拉拔速度240mm／ｓ、材料延伸率50％、旋转深度0.2mm条件下进行充液旋压成形。方晓明等对高速充液旋压成形工艺进行了试验研究，分析了影响微沟槽成形的工艺参数。华南理工大学的汤勇等在高速充液旋压法的基础上，提出充液旋压－多级拉拔复合成形的方法，即对经过高速充液旋压法加工过的沟槽型热管，采用多级拉拔工艺进行缩径加工，得到尺寸更小的沟槽型微热管，直径最小达到3mm。利用高速充液旋压法加工出薄壁的沟槽型微热管，工艺简单，适用于大量生产。该加工方法对密封性要求高，由于刀具的限制只能加工Φ6mm以上的热管。充液旋压－多级拉拔复合成形的方法解决了高速充液旋压法在尺寸上的局限性，且操作简单，但影响拉拔质量的因素较多，会出现断管、断齿等现象，多级拉拔在一定程度上会降低热管的刚度。
1.3两种热管蒸发段和冷凝段平均壁面温度对比
波形脉动热管蒸发段和冷凝段平均壁温随运行时间呈波形振荡趋势,30s后振荡频率和幅度趋于稳定。另外,随输入热流密度的减小,振荡幅度呈减小趋势。
从图5中可以看到,微槽平板热管蒸发段和冷凝段平均壁温在运行15s后趋于稳定。另外,蒸发段平均壁温在运行初期存在一个明显大于稳态平均壁温的瞬态高温状态,因此在使用微槽平板热管时应考虑该高温状态以避免电子设备被烧坏。本文中蒸发段稳态平均壁面温度是指热管稳定运行时间段蒸发段平均壁面温度的平均值,其中波形脉动热管和微槽平板热管稳定运行时间段分别取30~60s和15~55s。相同输入热流密度情况下波形脉动热管蒸发段稳态平均壁面温度更低,且随着热流密度的增加该优势更加明显。另外,稳态运行阶段,波形脉动热管最大平均壁温均低于微槽平板热管最小平均壁面温度。因此,相同输入热流密度情况下波形脉动热管可以将被散热电子设备壁面温度控制在更低的温度范围。
1.4脉动热管结构
对于脉动热管的结构形貌,已有工作主要围绕通道形状、尺寸、匝数、附加分支等因素展开,多数结论只适用于某种具体脉动热管,适用于多种脉动热管的结论主要有四条:矩形通道相对于圆形通道更优;蒸发段附加分支或波形结构可以提高传热性能;不同冷却温度下的最佳冷凝段长度不同;径向结构可以提高传热性能。综合对比,选取了传热热阻小且运行稳定的波形脉动热管结构作为基础,再将通道形式改为矩形后的热管结构作为研究对象之一。
2微细电解加工技术
电解加工是基于电解的阳极溶解的原理，借助成形的阴极，将阳极工件按一定形状和尺寸加工成形。广东工业大学的孙涛涛等提出用多线螺旋电极对管内壁表面进行微细电解加工的新方法，通过调整电极的进给速度、螺旋线角度和凹槽尺寸等来获得不同尺寸的微沟槽。大连理工大学的王艳萍等研究了掩膜微细电解加工微沟槽的方法，并重点分析了电流密度、加工时间对微沟槽成形质量的影响。试验得到优化的加工参数，并加工出宽200μｍ～250μｍ、深60μｍ～90μｍ的微沟槽。微细电解加工精度高，加工过程中工具无损耗、无应力生成，可以灵活控制材料去除，加工的尺度小，但对设备的要求较高，工具电极的设计和制造比较复杂，加工的速度较慢。
结语
综上所述，在微重力条件下，与纯水热管相比，醇/水混合物的热管效率更高，热管的干燥极限提高≥50%。有机醇/水混合溶液作为一种新型的强化热管传热工质，具有广阔的应用前景。不同微沟槽的加工技术具有各自的特点，机械加工效率高、工艺简单，但加工过程中存在较大的应力，工具易损耗，采用拉拔工艺后的热管管壁较厚。微细电解加工具有灵活性，可以加工出不同形状的微沟槽，但加工效率较低，对设备等要求较高。激光刻蚀技术作为一种特殊的制造工艺，加工效率较高，但需要采用硅、特殊氧化物等材料，成本较高。在现有的研究中，大多数的加工技术都是适用于平板热管的微沟槽加工，由于工艺的限制，用于圆形热管的微沟槽加工技术较少，加工更小型的沟槽型微热管的技术还有很大的进步空间。因此，改进现有的工艺，探索制造微沟槽的新工艺，制造出理想的微沟槽，是促进沟槽型热管朝着微型化、高性能化发展的关键。
参考文献
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