1、熱管的導(dǎo)熱系數(shù)很少達(dá)到規(guī)格極限值

熱管導(dǎo)熱系數(shù)范圍為10,000至100,000 W/mK。大約是銅的250倍，是鋁的500倍。但是，與金屬不同，熱管的有效導(dǎo)熱系數(shù)隨熱管長度變化很大。

圖1顯示了長度對(duì)熱管導(dǎo)熱系數(shù)的影響。在這個(gè)例子中，我們使用三根熱管來傳輸75W的熱量。雖然在不到100mm的熱管長度下實(shí)現(xiàn)了10,000W/mK的導(dǎo)熱率，但是200mm長度具有不到規(guī)格100,000 W/mK的最大導(dǎo)熱率的三分之一。

2、熱管應(yīng)用差異化比較大

熱管的性能數(shù)據(jù)通常是典型狀態(tài)下的，但實(shí)際應(yīng)用場景卻不相同。

打扁和折彎會(huì)對(duì)熱管性能產(chǎn)生負(fù)面影響，但工藝上可以輕松實(shí)現(xiàn)，滿足系統(tǒng)散熱設(shè)計(jì)上的需求。

如果需要更低的熱阻，則可以在加工熱管時(shí)，形成能夠與熱源直接接觸的光滑表面，從而消除、減少界面熱阻。

如果需要直徑從一端到另一端不同的熱管，使蒸發(fā)器端部完全覆蓋熱源，而其余部分保持足夠小。

熱管內(nèi)部結(jié)構(gòu)的變化，尤其是毛細(xì)結(jié)構(gòu)孔隙率和厚度，可以進(jìn)行調(diào)節(jié)來滿足特定的一些應(yīng)用要求。例如，當(dāng)需要給定直徑的熱管在較高功率負(fù)載或重力下操作時(shí)，毛細(xì)管壓力就需要增加。對(duì)于更高的Qmax，這意味著更大的孔隙半徑。為了有效地抵抗重力（蒸發(fā)器下方的冷凝器），這意味著更小的孔隙半徑和/或增加的孔隙厚度。另外，可以沿著單個(gè)管的長度改變毛細(xì)結(jié)構(gòu)的厚度和孔隙率。

3、結(jié)構(gòu)形式影響熱管性能

一旦確定了熱管的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，就能清楚外部物理特性如何影響性能。熱管應(yīng)用，尺寸通常最重要。但是，外觀改變會(huì)也會(huì)降低性能。

打扁

圖2顯示了最常見的熱管尺寸的性能（Qmax）。不同供應(yīng)商的熱管Qmx會(huì)不同。

圖 2: 熱管Qmax可定制

通常，燒結(jié)型熱管可以被打扁至其原始直徑的30-60％。有人認(rèn)為，當(dāng)打扁到直徑的一半后，性能就會(huì)極具下降，實(shí)際上這并不正確。例如，VC就可以認(rèn)為是一個(gè)超大的熱管被打扁到90%以上。

對(duì)于熱管應(yīng)用有兩個(gè)重要的性能限制：毛細(xì)結(jié)構(gòu)和蒸汽腔。毛細(xì)限制是毛細(xì)結(jié)構(gòu)將水從冷凝器輸送回蒸發(fā)器的能力。如上所述，我們可以將毛細(xì)結(jié)構(gòu)的孔隙率和厚度調(diào)整到特定情況，來改變Qmax和/或抵抗重力的能力。蒸汽腔極限是由蒸汽從蒸發(fā)器移動(dòng)到冷凝器的空間有多大。

圖3中的橙色和藍(lán)色線描繪了圖2中所示的各種熱管尺寸的相應(yīng)限制。?這兩個(gè)極限中較小的一個(gè)決定了Qmax，并且如圖所示，蒸汽腔極限高于毛細(xì)結(jié)構(gòu)極限。隨著熱管扁平化，可用于蒸汽移動(dòng)的橫截面積逐漸減小，使得蒸汽腔極限向下移動(dòng)。只要蒸汽腔極限高于毛細(xì)結(jié)構(gòu)極限，Qmax就保持不變。

圖3：熱管性能極限

在這個(gè)例子中，我們選擇將熱管壓扁到圖2中的規(guī)格。如灰線所示，蒸汽腔極限低于毛細(xì)結(jié)構(gòu)極限，降低了Qmax。將3毫米打扁僅僅33％就會(huì)導(dǎo)致蒸汽腔極限成為決定因素，但對(duì)于8毫米的熱管打扁超過60％才能實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)。

折彎

折彎熱管也會(huì)影響性能。這里提供一些經(jīng)驗(yàn)法則。首先，最小彎曲半徑是熱管直徑的3倍。其次，每一個(gè)45度彎曲將使Qmax降低約2.5％。從上面的圖2可以看出，當(dāng)打扁到2.5mm時(shí)，8mm的熱管的Qmax為52W。將其彎曲90度將進(jìn)一步減少5％。新的Qmax將是52-2.55 = 49.45瓦

抗重力

圖4說明了蒸發(fā)器與冷凝器的相對(duì)位置如何影響Qmax和熱管選擇。在每種情況下，Qmax從一個(gè)方向極限到下一個(gè)方向極限減少了大約95％。

圖4：方向?qū)峁苄阅艿挠绊?/p>

在冷凝器必須放置在蒸發(fā)器下方的情況下，我們將使用允許較小孔隙半徑和/或增加毛細(xì)厚度的燒結(jié)型材料。例如，如果我們優(yōu)化8mm熱管以抵抗重力（-90 o），我們可以將其Qmax從6W提高到25W

4、熱管設(shè)計(jì)舉例

假設(shè)以下是已知的限制：尺寸為20×20mm的70W熱源和將熱量從蒸發(fā)器傳遞到冷凝器所需單個(gè)90度彎曲熱管。

• 為了達(dá)到最最有效果，熱管需要完全覆蓋熱源，在這種情況下，熱源寬度為20毫米。從圖2中可以看出，我們有兩種選擇：三個(gè)圓形6mm熱管或兩個(gè)扁平8mm熱管。
• 熱管可以聯(lián)合使用。6mm熱管Qmax為114W（3x38w），而扁平8mm熱管的Qmax為104W（2x52w）

圖5：熱管配置選擇

• 考慮一定的安全余量是良好設(shè)計(jì)的要求。設(shè)計(jì)時(shí)，依據(jù)最大性能的75%進(jìn)行選擇。因此，6mm（75％x 104W）為85.5W，8mm（75％x 104w）為78W
• 下一步需要考慮折彎。90度折彎將導(dǎo)致Qmax減少5％。6mm方案Qmax現(xiàn)變成81W，而對(duì)于8mm方案，為74W，兩者都需要冷卻的70W熱源。

可以看出，兩種熱管設(shè)計(jì)方案足以將熱量從蒸發(fā)器移動(dòng)到冷凝器。那么為最終的選擇決定性因素是什么呢？從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)角度來看，可以簡單地歸結(jié)為蒸發(fā)器處的散熱器高度。8mm方案的輪廓比6mm方案低得多。相反，如果要提升冷凝器的效率則可以通過在三個(gè)位置而不是兩個(gè)位置輸入熱量來提高，這種情況下就需要選擇6mm方案。

如前文所述，本文并非是提供有關(guān)熱管和散熱器設(shè)計(jì)的詳細(xì)培訓(xùn)，而是提供有關(guān)所用熱管數(shù)量和尺寸的指導(dǎo)，并提供一些用于估計(jì)散熱器尺寸并確定一些安裝方法。散熱器的類型從鋁擠到機(jī)加、插翅有多種選擇，每種都有自己的成本和性能特征。雖然散熱器的選擇顯著影響散熱性能，但任何類型的散熱器最大性能提升都和強(qiáng)迫對(duì)流相關(guān)。

下圖對(duì)各種形式的散熱器進(jìn)行了總結(jié)，分別從成本、有點(diǎn)、潛在缺陷三方面進(jìn)行了分析。

圖6：散熱器類型擇

估算所需的散熱器體積可以通過使用下面的簡單公式，我們可以估算冷卻熱源所需的散熱器的總體積。V =（Q * Rv）/ △T 體積是散熱器的外部尺寸。Q是以W為單位的功耗，Rv是體積熱阻（cm 3 -C / W）。圖7 在不同的流速下的一些熱阻值。首先要注意的是強(qiáng)迫對(duì)流對(duì)熱性能的影響巨大。即使氣流速度很小，散熱器的體積熱阻也減少了三分之二。

圖7：流速和體積熱阻的關(guān)系

假設(shè)我們有一個(gè)50W的熱源Q，它的最大工作結(jié)溫度(Tjunction)是100℃。減去最大允許的環(huán)境溫度電子溫度，得到：

△T:在這個(gè)例子中是100 – 70 = 30 ℃

如果我們?cè)O(shè)計(jì)一個(gè)電腦,我們可能會(huì)是一個(gè)半或完全密封的外殼，也就意味著我們是自然對(duì)流散熱器。

由此散熱器體積將是:V = (50*500)/30= 833cm3 ，相當(dāng)于一個(gè)9.4 x 9.4 x 9.4厘米。

顯然，在自然對(duì)流環(huán)境中，我們不會(huì)用一個(gè)9.4厘米高的散熱器，所以長度和寬度的尺寸必須大幅增加。但是，我們可能會(huì)猜測，這個(gè)應(yīng)用可能需要使用底盤蓋作為散熱器。有一個(gè)這樣的應(yīng)用的例子，它的熱負(fù)荷、環(huán)境工作溫度和無風(fēng)扇設(shè)計(jì)都與上面的例子相匹配。讓我們看看設(shè)計(jì)的下半部分。PCB的底部包含大約50W的處理器和芯片。銅基板尺寸是25cm×15cm。同時(shí)總厚度是7.5cm,總體積為938cm3 。

圖8：某案例

如果使用強(qiáng)迫風(fēng)冷，所需的散熱器體積將減少多達(dá)十倍。散熱器設(shè)計(jì)的下一步將是詳細(xì)建模，然后進(jìn)行CFD分析。這將使工程師充分了解最優(yōu)的基礎(chǔ)厚度，翅片間距，翅片高度，和基板/翅片材料等。

無論系統(tǒng)是局部還是遠(yuǎn)端熱源，將熱管與冷凝器設(shè)計(jì)匹配的要求都是相同的?；彘_槽除外，簡單地將圓管焊接到平面上是肯定不好的。圓形或半圓形槽應(yīng)擠壓或和散熱器加工成一體。為了給焊料留出足夠的空間，建議將凹槽的尺寸比熱管的直徑大0.1mm左右。圖9中的散熱器同時(shí)使用近端和遠(yuǎn)端散熱器。擠壓式設(shè)計(jì)是為了適應(yīng)扁平熱管，最大限度地增加銅基板和熱源之間的接觸。一個(gè)遠(yuǎn)端沖壓翅片散熱器可以進(jìn)一步提高熱性能。這種設(shè)計(jì)作用很大，因?yàn)檫@些管道可以直接穿過翅片中心，減少翅片長度上的傳導(dǎo)損失。同時(shí)這種翅片不需要基板，重量和成本都可以降低。同樣，安裝熱管的孔應(yīng)該比熱管直徑大0.1mm。如果管道在熱源處完全是圓的，基板厚度要增大，如圖10所示。

圖9：熱管溝槽安裝 圖10：熱管塊固定 圖11：熱管直接壓接

如果基板和額外的界面材料造成的傳導(dǎo)損失仍然對(duì)于散熱有影響，則可以通過工藝保障平整度，讓熱管和熱源直接接觸，如圖11所示。這種結(jié)構(gòu)通常會(huì)使溫升降低2-8℃。如果需要熱源與熱管直接接觸，則應(yīng)考慮采用VC。