熱管和VC內(nèi)的細(xì)節(jié)傳熱過(guò)程

leon2016 2024-09-06

熱管（Heatpipe）和均溫板（Vapor Chamber，簡(jiǎn)稱VC）在高功率或高集成度電子產(chǎn)品中應(yīng)用廣泛。當(dāng)使用得當(dāng)時(shí)，它可以被簡(jiǎn)單地理解為一個(gè)導(dǎo)熱系數(shù)非常高的部件。不難理解，熱管和VC可以有效消除擴(kuò)散熱阻。

熱管最常見(jiàn)的應(yīng)用實(shí)例就是鑲嵌在散熱器中，將芯片的熱量充分均攤在散熱器基板或翅片上。當(dāng)芯片發(fā)出的熱量經(jīng)由導(dǎo)熱界面材料傳遞到散熱器上后，由于熱管導(dǎo)熱系數(shù)極高，熱量可以以極低的熱阻沿?zé)峁軅鞑ァ４藭r(shí)，熱管又與散熱器翅片相連，熱量便可以更有效地通過(guò)整個(gè)散熱器散失到空氣當(dāng)中。對(duì)于僅基板中鑲嵌熱管的散熱器，當(dāng)芯片發(fā)熱面積相對(duì)較小時(shí)，直接傳遞到散熱器的基板，會(huì)使得基板溫度分布具備較大的不均勻性。加裝熱管后，由于熱管導(dǎo)熱系數(shù)很高，便可以有效緩解溫度的不均勻性，提高散熱器的散熱效率。

熱管和VC的當(dāng)量導(dǎo)熱系數(shù)高，是因?yàn)樗鼈儍?nèi)部的傳熱機(jī)理是相變換熱。從表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)范圍可知，相變換熱是對(duì)流換熱中效率最高的。在熱管或VC中，蒸發(fā)段進(jìn)行的就是沸騰換熱，而冷凝段進(jìn)行的便是蒸汽凝結(jié)。

熱管和VC最重要的性能指標(biāo)有三個(gè)，分別是最大熱傳量Qmax，熱阻R和啟動(dòng)溫度T0。其定義分別如下：

? 最大熱傳量Qmax： Qmax的值等于如下情境中的發(fā)熱量：熱管或VC的蒸發(fā)段貼合發(fā)熱量為Q的發(fā)熱源，測(cè)量得出的蒸發(fā)段和冷凝段之間的溫差在規(guī)定的范圍內(nèi)（工程上通常使用5℃作為判定標(biāo)準(zhǔn)），單位為W。

? 熱阻R：當(dāng)傳遞大小為Q的熱量時(shí)，實(shí)際測(cè)得的蒸發(fā)段和冷凝段之間的溫差為ΔT，熱阻的值就是ΔT/Q，單位為℃/W或者K/W.

? 啟動(dòng)溫度T0：熱管內(nèi)進(jìn)行的是一個(gè)蒸發(fā)冷凝的過(guò)程。但流體的蒸發(fā)和冷凝必須在一定的溫度、壓強(qiáng)條件下才會(huì)發(fā)生。啟動(dòng)溫度T0是指熱管或VC腔體內(nèi)形成相變換熱循環(huán)時(shí)所需要的最低溫度。

熱管和VC的性能有很多影響因素，其機(jī)理分析需要理清楚腔體內(nèi)進(jìn)行的換熱過(guò)程。當(dāng)熱管蒸發(fā)段受熱時(shí)，蒸發(fā)段內(nèi)側(cè)吸液芯內(nèi)液體蒸發(fā)，此處壓強(qiáng)升高，蒸氣在壓差的作用下向冷凝段轉(zhuǎn)移。當(dāng)氣體轉(zhuǎn)移到冷凝段后被冷凝成液體。冷凝后的液體在吸液芯內(nèi)通過(guò)毛細(xì)力的作用轉(zhuǎn)移到蒸發(fā)段，形成循環(huán)。如下：