热管和VC内的细节传热过程

 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。

作者简介：陈继良，仿真秀专栏作者，文章节选自机械工业出版社发行，陈继良老师编著的《从零开始学散热》，点击可订购。