《从零开始学散热》：热管和均温板

 

节选自陈继良 《从零开始学散热》

特别感谢作者和 机械工业出版社 授权

从传热学理论中可以看到，提高导热系数能够有效强化传热。以导热为例，当传热面积很小时，传递相同的热量，导热系数越高，需要的温差越小。当前，芯片尺寸越来越小，发热量越来越大，如将这些热量转移到一定位置所“耗费”的温差也越来越大。为缓解这一趋势，人们不断采用更高导热系数的材料制成传热通路。但这些材料的导热系数多数在~10² W/(m•K)，即便是石墨片，也仅~1000W/(m•K)。而由于石墨片越厚（代表横向热流截面积）其水平方向导热系数越低，因此其热流动效率并不高。因此，设计更高传热效率的传热部件就变得越来越关键。在这种需求下，热管和均温板应运而生。

热管和均温板的特点和典型应用

热管（Heatpipe）和均温板（Vapor Chamber，简称VC）在高功率或高集成度电子产品中应用广泛。当使用得当时，它可以被简单地理解为一个导热系数非常高的部件。不难理解，热管和VC可以有效消除扩散热阻。

热管最常见的应用实例就是镶嵌在散热器中，将芯片的热量充分均摊在散热器基板或翅片上。如左下图所示，当芯片发出的热量经由导热界面材料传递到散热器上后，由于热管导热系数极高，热量可以以极低的热阻沿热管传播。此时，热管又与散热器翅片相连，热量便可以更有效地通过整个散热器散失到空气当中。右下图是基板中镶嵌热管的散热器。当芯片发热面积相对较小时，直接传递到散热器的基板，会使得基板温度分布具备较大的不均匀性。加装热管后，由于热管导热系数很高，便可以有效缓解温度的不均匀性，提高散热器的散热效率。

图1 热管散热器

热管的另一种应用场景是热量的高效转移。这种设计在笔记本中非常常见。具体的设计起因是：芯片发热的地方，没有足够的空间安装散热器，而在产品的另外较远处，有相关空间可以安装散热强化部件。这时，可以用热管将芯片发出的热量转移到合适的空间处进行散热。

图2 热管充当“热量转移桥”

VC均温板的使用相对单纯很多，因为均温板不能像热管那样灵活弯曲。但当芯片热量非常集中时，均温板的优势就可以体现出来。这是因为，均温板就类似一个“拍扁”的热管，它可以将热量非常顺畅地均布到整个板面上。而使用热管镶嵌基板的设计，那些不被热管覆盖的“盲区”仍会存在较大的扩散热阻。

图3 基板镶嵌热管时出现的均热“盲区”

当芯片热量非常集中时，这些盲区有时会导致非常明显的温差。这时，如果使用均温板，就会消除这些盲区，散热器的整个基板都会被完整地覆盖，扩散热阻被更有效地削弱，进而提高散热器的散热效率。

图4 采用VC作为基板的散热器

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：

• 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；
• 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；
• 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。启动温度很低时，就需要用沸点更低的工质，如氨水，极低的温度，甚至可以使用氧气、氮气这类沸点很低的介质；
• 抗重力特性或方向性：从热管的工作原理可知，管内传热过程存在一个液体回流的过程。当重力有助于液体回流时，管内冷热循环效率更高，热管的效能会获得重力的加持，表现为最大传热量的增加或相同传热量时热阻的减小，当重力不利于液体回流时（液体回流方向和重力方向相反），热管的最大传热量就会下降。在选择热管时，必须考虑热源所处的位置和重力方向的相对位置。通过设计毛细结构，加大回流的毛细力，能够提高热管抗重力特性，但加大毛细力通常意味着更厚的毛细结构，实际上会牺牲了热管在非逆重力情况下的传热效能（如下图红色线所示）。

图6 常规热管的最大传热量随工作反向的变化图^[2]

热管的这四个关键特性或指标主要与管径、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。

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] George Meyer. Heat Pipes & Vapor Chambers Design Guidelines.Thermal Alive, 2016

[3] Tang Heng, Tang Yong, et al. Review of applications anddevelopments of ultra-thin micro heat pipes for electronic cooling[J]. AppliedEnergy, 2018, 223:383-400.等等

陈继良所著书籍《从零开始学散热》，已于2020年在机械工业出版社出版发行。该书在京东，天猫，当当等机械工业出版社旗舰店均有销售。

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4—从零开始学散热——实例、方法和思维

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