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热管和VC内的细节传热过程

leon2016 热管 2017-01-20 23:30:26

       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。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。对于仅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。

        热管和VC的当量导热系数高,是因为它们内部的传热机理是相变换热。从表面传热系数范围可知,相变换热是对流换热中效率最高的。在热管或VC中,蒸发段进行的就是沸腾换热,而冷凝段进行的便是蒸汽凝结。

 

       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),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腔体内形成相变换热循环时所需要的最低温度。

        热管和VC的性能有很多影响因素,其机理分析需要理清楚腔体内进行的换热过程。当热管蒸发段受热时,蒸发段内侧吸液芯内液体蒸发,此处压强升高,蒸气在压差的作用下向冷凝段转移。当气体转移到冷凝段后被冷凝成液体。冷凝后的液体在吸液芯内通过毛细力的作用转移到蒸发段,形成循环。如下:

 

        

R1:热源与蒸发段外壁面间的(对流)换热热阻

R2:蒸发段管壁的径向导热热阻。

R3:蒸发段吸液芯的(径向)导热热阻

R4:蒸发段内表面的蒸发换热热阻

R5:蒸汽的轴向流动热阻

R6:冷凝段内表面的冷凝换热热阻

R7:冷凝段吸液芯的(径向)导热热阻

R8:冷凝段管壁的(径向)导热热阻

R9:冷源与冷凝段外壁面的(对流)换热热阻

R10:管壁与吸液芯的轴向导热热阻

 

    了解了内部热阻的分布,大家对各种因素对热管、VC性能的影响有没有新的、更深刻的理解呢?欢迎在留言区留言讨论。

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