0引言

热管是一种具有极高导热性能的传热元件,1964年发明于美国洛斯-阿洛莫斯国家实验室,上世纪70年代开始在工业领域大量应用｡它通过在全封闭真空管内工质的汽､液相变来传递热量,具有极高的导热性,高达纯铜导热能力的上百倍,有“热超导体”之美称｡工艺过关､设计出色的热管CPU散热器,将具有普通无热管风冷散热器无法达到的强劲性能｡传统的散热器采用的工质主要是制冷剂､水或者空气,要使这些工质流动,就必须安装泵或者风机,耗电大,另外管路中有杂质进入,造成泵或者风机的磨损,维护维修费用大｡而热管散热器是利用热管的良好传热性制作,具有结构紧凑､传热量大､安装方便和维护量小等特点｡

1热管散热器工作原理

热管技术的原理和普通的散热器不同,热管主要是利用工质的蒸发与冷凝来传递热量｡热管一般是由管壳､吸液芯和工质三个部分组成｡将管内抽至较高的真空度后充以适量的工质,使得紧贴管内壁的吸液芯毛细多孔材料中充满液体后加以密封｡热管有两端,分别为蒸发端(加热端)和冷凝端(散热端),两端之间需要采取绝热措施｡当热管的一端受热时(即两端出现温差时),毛细芯中的液体蒸发汽化,蒸汽在压差之下流向另一端放出热量并凝结成液体,液体再沿多孔材料依靠毛细作用流回蒸发端｡

2热管散热器的分类和特点

按照工作温度,热管可以分为:

(1) 深冷热管:工作温度范围为(100~200)K,工质可选用氦､氩､氮､氧等｡

(2)低温热管:工作温度范围为(200~250)K,工质可选用水､氟利昂､氨､酒精､丙酮等物质｡

(3)中温热管:工作温度范围为(550~750)K,工质可选用导热姆A､水银､硫､铯等物质｡

(4)高温热管:工作温度范围大于750K,工质可选用钾､锂､铝､银等高熔点的液态金属｡

热管散热器的特点:

(1) 利用工质的相变传热,传热能力高｡

(2) 热管内蒸汽处于饱和状态,均温特性好｡

(3) 具有可变换热流密度特性｡

(4) 具有良好的恒温特性｡

3电子设备热管散热器的设计

①热管的设计要求

(1) 工作温度:根据电子设备､电子器件及整机的温度控制要求,热管的工作温度一般为-50℃~200℃｡

(2) 发热量:根据器件的发热功率和工作环境条件确定热管所需传递的功率｡

(3) 热特性:按照电子器件发热功率的大小和温度控制的要求(均温､恒温或控温)来设计蒸发端､冷凝端､吸液芯和管壳的几何形状､尺寸｡

(4) 工作环境:根据电子设备的工作环境条件(如陆地､海面或高空等)来估计重力场对热管工作的影响,同时确定冷凝端与冷却介质的连接方式｡

(5) 结构尺寸:根据用户提供的热管外形尺寸､重量等要求进行结构设计｡

②工质选择

(1) 选择要求

工质的工作温度范围在工质的凝固点与临界温度之间,以接近工质的沸点为宜;选用的工质无毒､不易爆､使用安全;工质与管壳材料及吸液芯应相容,对热管的安全工作和可靠性不产生有害的影响;工质的品质因素高;重力场条件下的热管,工质的选用应考虑毛细力的提升高度｡

(2) 适合电子设备用的热管工质有甲烷､氨､氟利昂､丙酮､甲醇､乙醇､庚烷､水和导热姆A等｡

③吸液芯的选择

吸液芯的结构和性能是决定热管性能的关键因素｡吸液芯的类型主要有均匀吸液芯和组合式吸液芯｡对吸液芯的主要要求是起到一个有效的毛细泵作用,在流体和吸液芯结构之间产生的表面张力必须大到能克服管内的全部粘滞压降和其他压降,还要维持所要求的流体循环｡因为热管常常要在蒸发段比冷凝段高的重力场中工作,所以吸液芯把工质提升的高度应等于或大于在蒸发段和冷凝段之间的最大高度差｡这个高度具有矛盾性,一方面为了使吸液芯内粘滞损失最小,希望毛细孔尺寸大;而另一方面为了提供足够的毛细力和最大提升高度,又希望毛细尺寸小,应采取毛细尺寸最佳化的处理方法｡

除上述工作特性外,还必须考虑以下几方面的要求:

(1) 与工质和管壁材料应相容;

(2) 具有较高的渗透率且传热性能好;

(3) 应具有足够的刚性,以保证吸液芯和管壁紧密接触;

(4) 便于加工,性能可靠,经济性好｡

④管壳设计

(1) 材料

电子设备热管用的管壳材料主要有紫铜､无氧铜､铝合金､不锈钢等｡管壳材料应与工质相容;湿润性良好;导热系数高;具有足够的机械强度和良好的机加工性能｡

(2)管壳结构

a. 壁厚:由于管壳需要承受工质蒸发时所产生的蒸汽压力,因此需对管壳的强度进行校核,以保证热管安全工作｡对于壁厚的要求是传热欲其薄,强度欲其厚｡两者虽有矛盾,但都需考虑,在保证强度的条件下用最薄的｡

b. 外壁结构:外壁结构可以是光滑的,或者是翅片的,根据需要和可能来决定,翅片形式可以参考一般散热器的外翅片结构｡

c. 管壳:管壳多数为圆柱体,封头多数为平板深直口型｡管筒和封头之间的连接用焊接,焊口常用对接｡在工以上,氩弧焊和氢保护焊可保证焊接质量｡

d. 热管的接长:利用环箍热管连接法｡将两根被连接的热管的端部,分别插入一个环箍热管的两端｡这样,热管便可通过环箍这个中间热管而传递过去｡被连接热管与环箍热管之间的接触情况和接触面积是影响其热量传递的重要因素｡

4结束语

电子设备热管散热器的设计首先应根据设计技术要求,选择合适的工质､吸液芯､管壳,然后进行传热量校核,最后通过试验验证热管散热器设计的合理性｡

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