熱管和VC內的細節(jié)傳熱過程

leon2016 2024-09-06

熱管（Heatpipe）和均溫板（Vapor Chamber，簡稱VC）在高功率或高集成度電子產品中應用廣泛。當使用得當時，它可以被簡單地理解為一個導熱系數非常高的部件。不難理解，熱管和VC可以有效消除擴散熱阻。

熱管最常見的應用實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。當芯片發(fā)出的熱量經由導熱界面材料傳遞到散熱器上后，由于熱管導熱系數極高，熱量可以以極低的熱阻沿熱管傳播。此時，熱管又與散熱器翅片相連，熱量便可以更有效地通過整個散熱器散失到空氣當中。對于僅基板中鑲嵌熱管的散熱器，當芯片發(fā)熱面積相對較小時，直接傳遞到散熱器的基板，會使得基板溫度分布具備較大的不均勻性。加裝熱管后，由于熱管導熱系數很高，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的當量導熱系數高，是因為它們內部的傳熱機理是相變換熱。從表面?zhèn)鳠嵯禂捣秶芍?，相變換熱是對流換熱中效率最高的。在熱管或VC中，蒸發(fā)段進行的就是沸騰換熱，而冷凝段進行的便是蒸汽凝結。

熱管和VC最重要的性能指標有三個，分別是最大熱傳量Qmax，熱阻R和啟動溫度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（工程上通常使用5℃作為判定標準），單位為W。

? 熱阻R：當傳遞大小為Q的熱量時，實際測得的蒸發(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.

? 啟動溫度T0：熱管內進行的是一個蒸發(fā)冷凝的過程。但流體的蒸發(fā)和冷凝必須在一定的溫度、壓強條件下才會發(fā)生。啟動溫度T0是指熱管或VC腔體內形成相變換熱循環(huán)時所需要的最低溫度。

熱管和VC的性能有很多影響因素，其機理分析需要理清楚腔體內進行的換熱過程。當熱管蒸發(fā)段受熱時，蒸發(fā)段內側吸液芯內液體蒸發(fā)，此處壓強升高，蒸氣在壓差的作用下向冷凝段轉移。當氣體轉移到冷凝段后被冷凝成液體。冷凝后的液體在吸液芯內通過毛細力的作用轉移到蒸發(fā)段，形成循環(huán)。如下：