热管设计指南
本文摘要（由AI生成）：
本文介绍了热管技术的关键参数QMax，它取决于管芯和蒸汽限制的较小值。讨论了热管形状（如弯曲和扁平化）对QMax的影响，并给出了选择适当热管尺寸的建议。同时，介绍了热管的电镀处理和与热源、散热器集成的不同方法，包括间接和直接连接。最后，提供了热管建模技巧，包括使用Celsia热管计算器查找有效导热系数和在没有计算器时的估算方法。
说明：本文来自Celsia的相关内容翻译，供大家学习参考,有问题欢迎下方讨论。
本热管设计指南的重点是用于电子冷却应用的烧结铜热管（水）。这通常转化为20-200W的散热（如果功率密度高，则转移的热量会减少），功率密度高达约25 W / cm2。
本热管设计指南将涵盖以下主题：
1.热管的典型用途
2.热管规格和公差
3.热管性能：烧结铜芯和热管承载能力
4.对热管设计执行的二次操作
5.热管选型示例
6.散热器集成的热管设计指南
7.热管建模技巧
热管的典型用途
在适当的条件下正确使用，热管可显著提高散热器性能。这种设计实现是由于热管的导热性非常高;一般在实心铜的10-100倍之间。与固体金属不同，热管导热系数随几个变量而变化 - 长度是最显着的。因此，50mm或更小的非常短的热管具有热性能，使用实心铜或铝可能更好地服务。以下是作为散热器组件一部分的热管最常见的使用配置：
将热量移动到远程散热器
热管用于将热量从热源（蒸发端）向散热器（冷凝端）以任何方向或方向移动。下图是几个例子。
用于将热量输送到远程散热器的热管
将热量扩散到局部散热器
当需要两相器件但成本是一个驱动因素时，可以使用热管将热量传播到局部散热器。在这两种应用中，任何一种应用的蒸气室都会将散热器ΔT的总降低4-9 oC。这种改进是由于蒸气室的热阻较低以及它与热源（直接接触）的接口方式。请注意，这两个示例都使用铜散热基底连接到热源，然后热量传递给热管（间接接触）。
用于将热量传递到局部散热器的扁平热管
热管规格和公差
烧结铜水热管的理论工作温度极限为0-250℃，尽管在实践中热管直到20℃左右才真正开始运行。低于0℃，水在烧结管芯结构内冻结，但由于液体量很小，不会因膨胀而造成损坏。例如，一个典型的6毫米热管，长度为150毫米，含有约1cc的水。
关于热管可靠性的快速说明。几十年来，热管已经过广泛的测试。它们的典型寿命至少为20年，可以经历数千次冻融循环而不会损坏。热管故障最有可能发生A）由于制造工艺不佳和B）由于暴露于计划外条件：腐蚀性物质和意外的物理损坏是最常见的。Celsia 通过氦气测试每个热管的泄漏和 Qmax 性能来减少第一种故障。第二个故障可以通过对热管进行镀镍来解决。
对热管和散热器组件执行的测试列表
Celsia 热管& 散热器测试
下图提供了热管规格和公差。如有任何其他问题，请与供应商联系。
热管规格和公差
热管性能
热管承载能力（Qmax）是器件可以承载的热量（以W为单位）的量度。它主要受烧结管芯材料的毛细管极限的影响，其性能可以通过改变管芯的厚度和/或孔隙率/渗透率来改变。但是，没有一个理想的热管管芯设计，它会根据应用要求而变化。
Celsia的在线热管计算器提供基于两种管芯设计的类型信息：标准类型和性能类型。但是，Celsia通常定制设计管芯结构，以精确满足客户的要求。这些包括将管芯结构从热管的一部分改变到下一部分的能力。如果您需要此处未提供的性能数据，请与Celsia联系。
下图显示了使用以下用户选择的参数从热管计算器输出：
热管长度：200mm
蒸发端长度：25mm
冷凝端长度：75mm
管芯类型：标准
工作温度： 60℃
第一个图表显示了热管承载能力（Qmax）与操作角度。在 90 度时，蒸发端位于冷凝端正下方，在 –90 度时，反之亦然。
当需要对抗重力工作时，热管承载能力会降低
虽然此图表显示 Qmax 从 90 到 -90（标准管芯）下降了近 90%，但随附的表格（未显示）按角度给出了精确的 Qmax。例如，如果应用要求热管在不低于水平（0度）的情况下运行，则8mm热管将根据前面显示的输入参数从热源携带62瓦的功率。
计算器中的下一个图表（未显示）和相关表格（如图所示）与从热管的一端到另一端的温度变化（ΔT）有关。该测量值不是实际长度，而是有效长度，即从蒸发端中点到冷凝端中点的热管距离。
用于计算热管热阻的图表
要计算热管热阻，请将其δ-T除以功率输入。通过选择输入功率为40 ℃的8 mm热管，热阻为4.3/ 40 = 0.11℃/ W.此外，热管计算器提供了导热系数，可用作FloTherm等CFD程序的必要输入。
热管设计的二次操作
在将热管集成到散热器中之前，工程师有几个二级操作可供选择。
压平热管
通常，烧结铜热管可以压平至最大直径的30%至65%。 然而，热管承载能力往往会受到负面影响。下表显示了最常见的热管尺寸的 Qmax，这些尺寸是圆形还是扁平的。 例如，将3mm的热管压平到2mm，即使管道仅扁平了33%，其导热能力也会降低30%。相比之下，6毫米的热管扁平化为2毫米。它的Qmax降低了13%，尽管它平坦了66%。
扁平热管承载能力
星号表示
* 水平方向
**较厚的壁和管芯结构
为什么压平较小的热管对Qmax的负面影响更大？ 简而言之，对于地面应用，有两个重要的热管性能限制：管芯限制和蒸汽限制。 管芯极限是管芯将水从冷凝端输送回蒸发端的能力。 如前所述，管芯的孔隙率和厚度可以根据特定应用进行调整，从而允许改变Qmax和/或对抗重力的能力。特定应用的蒸汽限制取决于蒸汽从蒸发端移动到冷凝端的可用空间。 对于设计用于满足应用要求的热管，正是这两个限制中的较低者决定了Qmax。
热管 QMax 是管芯和蒸汽限制中的较小值
上图说明了这种动态。圆形3mm热管（蓝色和橙色线）具有几乎相同的蒸汽和管芯限制。将其压平至2mm会导致蒸汽极限低于管芯极限。对于6mm圆形热管，存在大量多余的蒸汽限制，因此在管道大幅减少之前，Qmax不会降低。
弯曲热管
弯曲热管也会影响最大的功率处理能力，为此应牢记以下经验法则。
首先，最小弯曲半径是热管直径的三倍。
其次，每弯曲45度，Qmax就会降低约2.5%。 从表1开始，8 mm的热管在扁平到2.5mm时，Qmax为52 W。 将其弯曲90度将导致进一步减少5%。 新的Qmax将是52 – 2.55 = 49.45 W。
热管电镀
镀镍热管是为了在零件暴露在环境中时防止腐蚀而进行的。也可以纯粹出于美学原因。
热管选型示例
假设一个 20 x 20mm 的热源在单个90度弯曲时耗散 70W的功率 – 合适的热管选择是什么？
示例：选择正确尺寸的热管
1.为确保每个热管接收相同的热量，请将它们直接放置在热源上方，或者非常接近热源上方。这可以用三个圆形6mm热管或两个扁平的8mm热管（扁平到2.5mm）来完成。
2.确保每个管道可以处理70W的热负荷。三根6mm热管各可承载38W，总计114W，而两根8mm平板可承载104W。
3.将热管承载能力降低25%（良好的设计实践）。降额的6mm选项可以承载85.5W，而8mm选项可以承载78W。
4.通过将 45 度弯曲的 2.5% 降额来解释弯曲。在这里，我们有一个90度的弯曲，因此两个选项可以分别承载81W和74W。
从此分析中可以看出，两种热管配置都足以将热量从蒸发端传递到冷凝端。 那么，为什么要选择一个而不是另一个呢？ 从机械角度来看，它可能简单地归结为蒸发端处的散热器堆叠高度，即8 mm配置的轮廓比6mm配置低。 相反，通过在三个位置（而不是两个位置）进行热输入，可以提高冷凝端效率，因此需要使用6 mm配置。
散热器集成的热管设计指南
一旦确定了正确的热管，下一步就是集成到散热器中。当使用热管来移动热量（与扩散热量）时，这是一个两步过程：蒸发端上的散热器集成和冷凝端上的散热器集成。
热管与热源之间的界面（蒸发端）
将热管与蒸发端连接有两种常用的方法：间接和直接。
CPU热管界面|间接与直接
将热管配合到热源位置的比较具成本效益的方法通常是通过底板。这可以用铝板或铜板（如左图所示）完成。除了成本优势外，这种方法还允许在热源比热管接触面积小得多的情况下，热量更均匀地分布到每个热管上。
从蒸发端到热管的直接接触通常用于出于性能原因需要移除底板和相关附加TIM层的情况，如右图所示。这带来了成本影响，因为需要对热管的表面进行加工，以便与热源进行所需的热连接。
热管和散热器之间的界面（冷凝端）
最后一步是将热管正确集成到散热器的冷凝部分。这是一种使用热管将热量传导到散热器局部的情况（左下图），扁平的热管被焊接到散热器的底部
热管焊接到散热器底座|通过翅片连接
将热量输送到远程冷凝端时，有两种常见的热管安装方式。第一种方法与上述方法相同。也就是说，扁平的热管被焊接到扁平的底座上或圆形的热管被焊接到凹槽的底座上。 如果翅片堆很大，则需要通过将热管穿过翅片堆的中心来更均匀地分配热量，如上图右图所示。
热管建模技巧
当使用CFD程序如FloTherm工作或开发Excel模型时，需要输入热管的有效导热系数。以下是使用Celsia的热管计算器查找这些数字的方法。输入所需输入后，计算器的第一个表提供了热管有效导热系数。
在建模周期的早期，如果您无法访问此计算器，则有一种相当不错的作弊方式。只需将每个热管的功率乘以其热阻的估计值 – 等于估计的热管ΔT。对于3-8mm的热管，使用0.1℃ / W或0.075℃/ W用于较大的热管。然后输入一个导热系数（从4000 W/m-K或者更大），直到建模的ΔT等于粗略计算的ΔT。
