熱管或VC的性能指標

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：

l  最大熱傳量Qmax： Qmax的值等于如下情境中的發熱量：熱管或VC的蒸發段貼合發熱量為Q的發熱源，測量得出的蒸發段和冷凝段之間的溫差在規定的范圍內（工程上通常使用5℃作為判定標準，部分嚴格標準采用2℃），單位為W。

l  熱阻R：當傳遞大小為Q的熱量時，實際測得的蒸發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.

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

熱管的這三個關鍵指標主要與管徑、吸液芯滲透率和孔隙率、吸液芯厚度、工作流體性質、充液量、內部真空度、管壁厚度，折彎角度和工作環境等多個因素有關。當熱管被拍扁或者折彎時，內部的蒸汽流動空間縮小，液體流動的毛細結構也會被不同程度的損傷，因此其傳熱性能就會有所衰減。同樣，越薄的VC，其上述三個性能指標也會降低。

表9-2 不同直徑、不同厚度的熱管最大傳熱量

圖9-6 熱管拍扁狀態下內部毛細結構的微細裂痕^[2]

除了拍扁，由于產品結構復雜，通常會將熱管彎折，以便讓熱管貫通的面更大，提高均熱效果。折彎改變了內部流道，在彎折處，蒸汽和流體的流動會受到阻滯。當折彎半徑太小，或折彎角度太大時，熱管性能都會大大折扣。下表是在不同彎折角度下，最小和建議的彎折半徑。

表9-3熱管彎折半徑設計表

圖9-7 熱管彎折參數示意

超薄熱管和超薄VC

    由于拍扁會損傷熱管內部的毛細結構，因此超薄熱管的毛細結構與常規熱管有所區別。常規的熱管內壁往往有一圈毛細結構，而超薄熱管的毛細結構通常只是在中間，這樣熱管在拍扁的時候，毛細結構并不會跟隨管壁進行折彎動作，而是只會被壓縮。這樣就減輕了拍扁帶來的毛細結構損傷。

圖9-8 超薄熱管內部的毛細結構^[2]

由于熱管被壓的很薄，因此其最大傳熱量是很小的。比如0.4mm厚的熱管其最大傳熱量僅為~3W。另外，雖然采用了中置毛細結構，但熱管被拍扁時，兩側的的銅壁仍不可避免地會變形，因此能拍到0.4mm厚度的熱管，其原始管徑也不大（通常不超過5mm——2019年9月的數據）。這就導致拍完后的熱管寬度有限，從而影響均熱效果。另外，由于熱管被拍扁后，蒸汽通道是完全中空的，且由于銅壁很薄（通常<0.15mm）,因此其抗壓或抗折彎強度都很差。總結下來，超薄熱管有如下缺點：

1)        最大傳熱量低；

2)        只能是接近一維均熱，均熱面積受限；

3)        機械強度低。

上述缺陷推動了超薄VC的進步。VC是兩片式結構，其寬度可以任意定制，理論上不受限制。由于面積大，其最大傳熱量也比較大。超薄VC面臨的困難是類似的。這么薄的空間內如何確定充水量，以及如何設置毛細結構，如何焊接，都是難題。

圖9-9 雷蛇2手機內用的超薄VC^[3]

類似地，由于內部空間小，超薄VC的毛細結構與傳統VC也不相同。據2019年的技術，超薄VC是使用蝕刻的技術在銅板上蝕刻出凸臺，凸臺起到支撐作用。另外一片銅板內部則貼合銅網作為毛細結構。銅柱間的間隙就是蒸汽流動通道，銅網則是液體回流通道[4]。如此薄的銅板，蝕刻、焊接、注液、抽真空、封口等都是難題。這樣導致當前超薄VC良率較低，成本較高。

表9-4 超薄熱管的技術現狀^[5]

表9-5 超薄熱管的技術現狀^[5]

本章小結

熱管和VC一般會和散熱器配合使用。其關鍵作用是降低擴散熱阻。但由于內部處于真空，且不凝性氣體的進入會導致性能大幅衰減，故其往往成為散熱器失效的“罪魁禍首”。本章詳解了最大傳熱量、熱阻和啟動溫度以及各種其它因素對這三個參數的影響。對VC和熱管的應用和發展趨勢感興趣的讀者可以聯系作者，針對特定問題進行討論。

本章參考文獻

[1] 楊世銘, 陶文銓. 傳熱學第三版[M]. 高等教育出版社, 1998.

[2] Tang, Heng, Tang, et al. Review of applications and developmentsof ultra-thin micro heat pipes for electronic cooling[J]. Applied Energy, 2018,223:383-400.

[3] JerryRigEverything. https://www.youtube.com/watch?v=UGsICbmmfws

[4] Chen Z, Li Y, Zhou W, et al. Design, fabrication and thermalperformance of a novel ultra-thin vapour chamber for cooling electronicdevices[J]. Energy Conversion and Management, 2019, 187: 221-231.

[5] Delta Slim Heat Pipe Vapor Chamber. http://www.deltaww.com

本篇節選自：陳繼良.從零開始學散熱.第九章

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