電子設備熱管散熱器的設計

熱設計 2025-04-18

來源：大眾科技

0 引言

熱管是一種具有極高導熱性能的傳熱元件,1964年發明于美國洛斯-阿洛莫斯國家實驗室,上世紀70年代開始在工業領域大量應用?它通過在全封閉真空管內工質的汽?液相變來傳遞熱量,具有極高的導熱性,高達純銅導熱能力的上百倍,有“熱超導體”之美稱?工藝過關?設計出色的熱管CPU散熱器,將具有普通無熱管風冷散熱器無法達到的強勁性能?傳統的散熱器采用的工質主要是制冷劑?水或者空氣,要使這些工質流動,就必須安裝泵或者風機,耗電大,另外管路中有雜質進入,造成泵或者風機的磨損,維護維修費用大?而熱管散熱器是利用熱管的良好傳熱性制作,具有結構緊湊?傳熱量大?安裝方便和維護量小等特點?

1 熱管散熱器工作原理

熱管技術的原理和普通的散熱器不同,熱管主要是利用工質的蒸發與冷凝來傳遞熱量?熱管一般是由管殼?吸液芯和工質三個部分組成?將管內抽至較高的真空度后充以適量的工質,使得緊貼管內壁的吸液芯毛細多孔材料中充滿液體后加以密封?熱管有兩端,分別為蒸發端(加熱端)和冷凝端(散熱端),兩端之間需要采取絕熱措施?當熱管的一端受熱時(即兩端出現溫差時),毛細芯中的液體蒸發汽化,蒸汽在壓差之下流向另一端放出熱量并凝結成液體,液體再沿多孔材料依靠毛細作用流回蒸發端?

2 熱管散熱器的分類和特點

按照工作溫度,熱管可以分為:

(1) 深冷熱管:工作溫度范圍為(100~200)K,工質可選用氦?氬?氮?氧等?

(2)低溫熱管:工作溫度范圍為(200~250)K,工質可選用水?氟利昂?氨?酒精?丙酮等物質?

(3)中溫熱管:工作溫度范圍為(550~750)K,工質可選用導熱姆A?水銀?硫?銫等物質?

(4)高溫熱管:工作溫度范圍大于750K,工質可選用鉀?鋰?鋁?銀等高熔點的液態金屬?

熱管散熱器的特點:

(1) 利用工質的相變傳熱,傳熱能力高?

(2) 熱管內蒸汽處于飽和狀態,均溫特性好?

(3) 具有可變換熱流密度特性?

(4) 具有良好的恒溫特性?

3 電子設備熱管散熱器的設計

①熱管的設計要求

(1) 工作溫度:根據電子設備?電子器件及整機的溫度控制要求,熱管的工作溫度一般為-50℃~200℃?

(2) 發熱量:根據器件的發熱功率和工作環境條件確定熱管所需傳遞的功率?

(3) 熱特性:按照電子器件發熱功率的大小和溫度控制的要求(均溫?恒溫或控溫)來設計蒸發端?冷凝端?吸液芯和管殼的幾何形狀?尺寸?

(4) 工作環境:根據電子設備的工作環境條件(如陸地?海面或高空等)來估計重力場對熱管工作的影響,同時確定冷凝端與冷卻介質的連接方式?

(5) 結構尺寸:根據用戶提供的熱管外形尺寸?重量等要求進行結構設計?

②工質選擇

(1) 選擇要求

工質的工作溫度范圍在工質的凝固點與臨界溫度之間,以接近工質的沸點為宜;選用的工質無毒?不易爆?使用安全;工質與管殼材料及吸液芯應相容,對熱管的安全工作和可靠性不產生有害的影響;工質的品質因素高;重力場條件下的熱管,工質的選用應考慮毛細力的提升高度?

(2) 適合電子設備用的熱管工質有甲烷?氨?氟利昂?丙酮?甲醇?乙醇?庚烷?水和導熱姆A等?

③吸液芯的選擇

吸液芯的結構和性能是決定熱管性能的關鍵因素?吸液芯的類型主要有均勻吸液芯和組合式吸液芯?對吸液芯的主要要求是起到一個有效的毛細泵作用,在流體和吸液芯結構之間產生的表面張力必須大到能克服管內的全部粘滯壓降和其他壓降,還要維持所要求的流體循環?因為熱管常常要在蒸發段比冷凝段高的重力場中工作,所以吸液芯把工質提升的高度應等于或大于在蒸發段和冷凝段之間的最大高度差?這個高度具有矛盾性,一方面為了使吸液芯內粘滯損失最小,希望毛細孔尺寸大;而另一方面為了提供足夠的毛細力和最大提升高度,又希望毛細尺寸小,應采取毛細尺寸最佳化的處理方法?