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热管和均温板(节选2)

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热管或VC的性能指标

热管和VC最重要的性能指标有三个,分别是最大热传量Qmax,热阻R和启动温度T0。其定义分别如下:

l  最大热传量Qmax: Qmax的值等于如下情境中的发热量:热管或VC的蒸发段贴合发热量为Q的发热源,测量得出的蒸发段和冷凝段之间的温差在规定的范围内(工程上通常使用5℃作为判定标准,部分严格标准采用2℃),单位为W。

l  热阻R:当传递大小为Q的热量时,实际测得的蒸发段和冷凝段之间的温差为ΔT,热阻的值就是ΔT/Q,单位为℃/W或者K/W.

l  启动温度T0:热管内进行的是一个蒸发冷凝的过程。但流体的蒸发和冷凝必须在一定的温度、压强条件下才会发生。启动温度T0是指热管或VC内形成相变换热循环时所需要的最低温度。

热管的这三个关键指标主要与管径、吸液芯渗透率和孔隙率、吸液芯厚度、工作流体性质、充液量、内部真空度、管壁厚度,折弯角度和工作环境等多个因素有关。当热管被拍扁或者折弯时,内部的蒸汽流动空间缩小,液体流动的毛细结构也会被不同程度的损伤,因此其传热性能就会有所衰减。同样,越薄的VC,其上述三个性能指标也会降低

9-2 不同直径、不同厚度的热管最大传热量

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9-6 热管拍扁状态下内部毛细结构的微细裂痕[2]

除了拍扁,由于产品结构复杂,通常会将热管弯折,以便让热管贯通的面更大,提高均热效果。折弯改变了内部流道,在弯折处,蒸汽和流体的流动会受到阻滞。当折弯半径太小,或折弯角度太大时,热管性能都会大大折扣。下表是在不同弯折角度下,最小和建议的弯折半径。

9-3热管弯折半径设计表

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9-7 热管弯折参数示意

超薄热管和超薄VC

    由于拍扁会损伤热管内部的毛细结构,因此超薄热管的毛细结构与常规热管有所区别。常规的热管内壁往往有一圈毛细结构,而超薄热管的毛细结构通常只是在中间,这样热管在拍扁的时候,毛细结构并不会跟随管壁进行折弯动作,而是只会被压缩。这样就减轻了拍扁带来的毛细结构损伤。

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9-8 超薄热管内部的毛细结构[2]

由于热管被压的很薄,因此其最大传热量是很小的。比如0.4mm厚的热管其最大传热量仅为~3W。另外,虽然采用了中置毛细结构,但热管被拍扁时,两侧的的铜壁仍不可避免地会变形,因此能拍到0.4mm厚度的热管,其原始管径也不大(通常不超过5mm——20199月的数据)。这就导致拍完后的热管宽度有限,从而影响均热效果。另外,由于热管被拍扁后,蒸汽通道是完全中空的,且由于铜壁很薄(通常<0.15mm,因此其抗压或抗折弯强度都很差。总结下来,超薄热管有如下缺点:

1)        最大传热量低;

2)        只能是接近一维均热,均热面积受限;

3)        机械强度低。

上述缺陷推动了超薄VC的进步。VC是两片式结构,其宽度可以任意定制,理论上不受限制。由于面积大,其最大传热量也比较大。超薄VC面临的困难是类似的。这么薄的空间内如何确定充水量,以及如何设置毛细结构,如何焊接,都是难题。

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9-9 雷蛇2手机内用的超薄VC[3]

类似地,由于内部空间小,超薄VC的毛细结构与传统VC也不相同。据2019年的技术,超薄VC是使用蚀刻的技术在铜板上蚀刻出凸台,凸台起到支撑作用。另外一片铜板内部则贴合铜网作为毛细结构。铜柱间的间隙就是蒸汽流动通道,铜网则是液体回流通道[4]。如此薄的铜板,蚀刻、焊接、注液、抽真空、封口等都是难题。这样导致当前超薄VC良率较低,成本较高。

9-4 超薄热管的技术现状[5]

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9-5 超薄热管的技术现状[5]

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本章小结

热管和VC一般会和散热器配合使用。其关键作用是降低扩散热阻。但由于内部处于真空,且不凝性气体的进入会导致性能大幅衰减,故其往往成为散热器失效的“罪魁祸首”。本章详解了最大传热量、热阻和启动温度以及各种其它因素对这三个参数的影响。对VC和热管的应用和发展趋势感兴趣的读者可以联系作者,针对特定问题进行讨论。


本章参考文献


[1] 杨世铭, 陶文铨. 传热学第三版[M]. 高等教育出版社, 1998.

[2] Tang, Heng, Tang, et al. Review of applications and developmentsof ultra-thin micro heat pipes for electronic cooling[J]. Applied Energy, 2018,223:383-400.

[3] JerryRigEverything. https://www.youtube.com/watch?v=UGsICbmmfws

[4] Chen Z, Li Y, Zhou W, et al. Design, fabrication and thermalperformance of a novel ultra-thin vapour chamber for cooling electronicdevices[J]. Energy Conversion and Management, 2019, 187: 221-231.

[5] Delta Slim Heat Pipe Vapor Chamber. http://www.deltaww.com

本篇节选自:陈继良.从零开始学散热.第九章

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