熱管或VC的性能指標(biāo)
熱管和VC最重要的性能指標(biāo)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(fā)熱量：熱管或VC的蒸發(fā)段貼合發(fā)熱量為Q的發(fā)熱源，測量得出的蒸發(fā)段和冷凝段之間的溫差在規(guī)定的范圍內(nèi)（工程上通常使用5℃作為判定標(biāo)準(zhǔn)，部分嚴(yán)格標(biāo)準(zhǔn)采用2℃），單位為W。
l 熱阻R：當(dāng)傳遞大小為Q的熱量時(shí)，實(shí)際測得的蒸發(fā)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(nèi)進(jìn)行的是一個蒸發(fā)冷凝的過程。但流體的蒸發(fā)和冷凝必須在一定的溫度、壓強(qiáng)條件下才會發(fā)生。啟動溫度T0是指熱管或VC內(nèi)形成相變換熱循環(huán)時(shí)所需要的最低溫度。
熱管的這三個關(guān)鍵指標(biāo)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(zhì)、充液量、內(nèi)部真空度、管壁厚度，折彎角度和工作環(huán)境等多個因素有關(guān)。當(dāng)熱管被拍扁或者折彎時(shí)，內(nèi)部的蒸汽流動空間縮小，液體流動的毛細(xì)結(jié)構(gòu)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(biāo)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(tài)下內(nèi)部毛細(xì)結(jié)構(gòu)的微細(xì)裂痕[2]
除了拍扁，由于產(chǎn)品結(jié)構(gòu)復(fù)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(nèi)部流道，在彎折處，蒸汽和流體的流動會受到阻滯。當(dāng)折彎半徑太小，或折彎角度太大時(shí)，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(shè)計(jì)表
圖9-7 熱管彎折參數(shù)示意
超薄熱管和超薄VC
由于拍扁會損傷熱管內(nèi)部的毛細(xì)結(jié)構(gòu)，因此超薄熱管的毛細(xì)結(jié)構(gòu)與常規(guī)熱管有所區(qū)別。常規(guī)的熱管內(nèi)壁往往有一圈毛細(xì)結(jié)構(gòu)，而超薄熱管的毛細(xì)結(jié)構(gòu)通常只是在中間，這樣熱管在拍扁的時(shí)候，毛細(xì)結(jié)構(gòu)并不會跟隨管壁進(jìn)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(xì)結(jié)構(gòu)損傷。
圖9-8 超薄熱管內(nèi)部的毛細(xì)結(jié)構(gòu)[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(xì)結(jié)構(gòu)，但熱管被拍扁時(shí)，兩側(cè)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(shù)據(jù)）。這就導(dǎo)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(qiáng)度都很差。總結(jié)下來，超薄熱管有如下缺點(diǎn)：
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(jī)械強(qiáng)度低。
上述缺陷推動了超薄VC的進(jìn)步。VC是兩片式結(jié)構(gòu)，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(nèi)如何確定充水量，以及如何設(shè)置毛細(xì)結(jié)構(gòu)，如何焊接，都是難題。
圖9-9 雷蛇2手機(jī)內(nèi)用的超薄VC[3]
類似地，由于內(nèi)部空間小，超薄VC的毛細(xì)結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)VC也不相同。據(jù)2019年的技術(shù)，超薄VC是使用蝕刻的技術(shù)在銅板上蝕刻出凸臺，凸臺起到支撐作用。另外一片銅板內(nèi)部則貼合銅網(wǎng)作為毛細(xì)結(jié)構(gòu)。銅柱間的間隙就是蒸汽流動通道，銅網(wǎng)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(dǎo)致當(dāng)前超薄VC良率較低，成本較高。
表9-4 超薄熱管的技術(shù)現(xiàn)狀[5]
表9-5 超薄熱管的技術(shù)現(xiàn)狀[5]
本章小結(jié)
熱管和VC一般會和散熱器配合使用。其關(guān)鍵作用是降低擴(kuò)散熱阻。但由于內(nèi)部處于真空，且不凝性氣體的進(jìn)入會導(dǎo)致性能大幅衰減，故其往往成為散熱器失效的“罪魁禍?zhǔn)住薄１菊略斀饬俗畲髠鳠崃俊嶙韬蛦訙囟纫约案鞣N其它因素對這三個參數(shù)的影響。對VC和熱管的應(yīng)用和發(fā)展趨勢感興趣的讀者可以聯(lián)系作者，針對特定問題進(jìn)行討論。
本章參考文獻(xiàn)
[1] 楊世銘, 陶文銓. 傳熱學(xué)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(jié)選自：陳繼良.從零開始學(xué)散熱.第九章
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