第9章 热管和均温板¶
9.3 热管和 VC 的性能指标¶
热管和 VC 最重要的性能指标有三个，分别是最大热传量 \(Q_{max}\) 、热阻 R 和启动温度 \(T_{0}\) ，其定义分别如下：
热管的这三个关键指标主要与管径、吸液芯渗透率和孔隙率、吸液芯厚度、工作流体性质、充液量、内部真空度、管壁厚度，折弯角度和工作环境等多个因素有关。当热管被拍扁或者折弯时，内部的蒸汽流动空间缩小，液体流动的毛细结构也会受到不同程度的损伤，如图 9-6 所示，因此其传热性能就会有所衰减。同样，越薄的 VC，其上述三个性能指标也会越低。不同直径、不同厚度热管的最大传热量见表 9-2。
表 9-2 不同直径、不同厚度热管的最大传热量
| 拍扁后热管厚度/mm | 拍扁前热管直径(mm)/ $Q_{\text{max}}$ (W)(如下数值适用于的热管长度约为200mm) | ||||
| $\Phi 3$ | $\Phi 4$ | $\Phi 5$ | $\Phi 6$ | $\Phi 8$ | |
| 2.0 | 9 | 16 | 20 | 26 | 31 |
| 2.5 | 13 | 17 | 31 | 45 | 62 |
| 3.0 | 14 | 17 | 40 | 55 | 70 |
| 圆管 | 14 | 17 | 43 | 57 | 78 |
除了拍扁，由于产品结构复杂，通常会将热管弯折，以便使热管贯通的面更大，提高均热效果。折弯改变了内部流道，在弯折处，蒸汽和流体的流动会受到阻滞。当折弯半径太小，或折弯角度太大时，热管性能都会大打折扣。表 9-3 是在不同弯折角度下，最小和建议的弯折半径。热管弯折参数示意如图 9-7 所示。
表 9-3 热管弯折半径设计表
| 热管直径 | 折弯角度45° | 折弯角度90° | 折弯角度135° |
| $\Phi 4$ | r=8mm | r=8mm | r=10mm |
| $\Phi 5$ | r=8mm | r=10mm | r=12mm |
| $\Phi 6$ | r=10mm | r=12mm | r=14mm |
| $\Phi 8$ | r=16mm | r=16mm | r=18mm |
9.4 超薄热管和超薄 VC¶
由于拍扁会损伤热管内部的毛细结构，因此超薄热管的毛细结构与常规热管有所区别，如图 9-8 所示。常规的热管内壁往往有一圈毛细结构，而超薄热管的毛细结构通常只是在中间，这样热管在拍扁时，毛细结构并不会跟随管壁进行折弯动作，而是只会被压缩，这样就减轻了拍扁带来的毛细结构损伤。
由于热管被压的很薄，因此其最大传热量是很小的。比如 0.4mm 厚的热管其最大传热量仅为大约 3W。另外，虽然采用了中置毛细结构，但热管被拍扁时，两侧的铜壁仍不可避免地会变形，因此能拍到 0.4mm 厚度的热管，其原始管径也不大，通常不超过 5mm（2019 年 9 月的数据）。这会导致拍完后的热管宽度有限，从而影响均热效果。另外，由于热管被拍扁后，蒸汽通道是完全中空的，且由于铜壁很薄（通常 <0.15mm），因此其抗压或抗折弯强度都很差。总结下来，超薄热管有以下缺点：
上述缺陷推动了超薄 VC 的进步。VC 是两片式结构，其宽度可以任意定制，理论上不受限制。由于面积大，其最大传热量也比较大。超薄 VC 面临的困难是类似的，这么薄的空间内如何确定充水量，以及如何设置毛细结构，如何焊接，都是难题。超薄 VC 的应用如图 9-9 所示。
类似地，由于内部空间小，超薄 VC 的毛细结构与传统 VC 也不相同。根据 2019 年的技术，超薄 VC 是使用蚀刻的技术在铜板上蚀刻出凸台，凸台起到支撑作用，另外一片铜板内部贴合铜网作为毛细结构。铜柱间的间隙就是蒸汽流动通道，铜网则是液体回流通道 [4]。如此薄的铜板，蚀刻、焊接、注液、抽真空、封口等都是难题。这样会导致当前超薄 VC 良率较低，成本较高。超薄 VC
技术现状见表 9-4；超薄热管的技术现状见表 9-5。
表 9-4 超薄 VC 的技术现状 \(^{[5]}\)
| 超薄 VC 的长宽厚和对应的最大传热量 | |||
| 厚度/mm | 长宽尺寸/mm | 有风扇情况下的最大传热量/W | 无风扇情况下的最大传热量/W |
| 0.35 | 100 × 60 | 4 ~ 6 | 3 ~ 5 |
| 0.4 | 120 × 60 | 5 ~ 8 | 3 ~ 5 |
| 0.5 ~ 0.7 | 160 × 60 | 10 ~ 15 | 5 ~ 7 |
| 0.7 ~ 1.0 | 180 × 90 | 15 ~ 20 | 7 ~ 10 |
表 9-5 超薄热管的技术现状 \(^{[5]}\)
| 超薄热管的长宽厚和对应的最大传热量 | |||
| 管径/mm | 厚度/mm | 长度/mm | 最大传热量/W |
| 2 | 0.35 ~ 1 | 50 ~ 200 | 3 ~ 5 |
| 3 | 0.4 ~ 1 | 50 ~ 200 | 4 ~ 7 |
| 4 | 0.5 ~ 1 | 50 ~ 200 | 5 ~ 8 |
| 5 | 0.6 ~ 1 | 50 ~ 200 | 6 ~ 15 |
| 6 | 0.6 ~ 1 | 50 ~ 300 | 6 ~ 30 |
| 7 | 0.8 ~ 1.3 | 80 ~ 350 | 10 ~ 30 |
| 8 | 0.8 ~ 1.3 | 80 ~ 350 | 15 ~ 40 |
| 10 | 1 ~ 1.3 | 80 ~ 350 | 20 ~ 60 |
9.5 热管和 VC 产品要考虑的细观因素¶
热管和 VC 等两相流产品是热设计物料中比较复杂的构件。在仅从性能层面理解所用的热管和 VC 特性优劣时，可以从如下角度入手去研究：管壁材质、管壁厚度、管壁粗糙度、液态工质类型、注液量、真空度。
对于烧结热管，毛细结构中粉体部分厚度、粉体颗粒粒径分布、粉体球形度，毛细结构的空隙率、渗透率；粉体材质、粉体筛选标准、粉体与管壁的结合方式。
对于沟槽热管，沟槽截面形状，沟槽深度，沟槽宽度，沟槽密度。
对于 VC，毛细结构同热管。与热管不同的是支撑结构形态、分布、无效区域。
对于 Mesh 热管和 Fiber 热管或 VC，其要关注的参数也是类似的、与毛细回流、气体流动有关的。两相流产品在长期运行下的性能衰减的机理，如不凝性气体产生的原因、腔体泄漏等也非常接近。
9.6 本章小结¶
热管和 VC 一般会与散热器配合使用，其关键作用是降低扩散热阻。但由于内部处于真空，且不凝性气体的进入会导致性能大幅衰减，故其往往成为散热器失效的 “罪魁祸首”。本章详解了最大传热量、热阻和启动温度以及各种其他因素对这三个参数的影响。对 VC 和热管的应用和发展趋势感兴趣的读者可以联系作者，针对特定问题进行讨论。
参考文献¶
10.1 热电冷却原理¶
热电现象是 1823 年由德国物理学家 Seebeck 发现的。当时他将指南针放置在由两种不同金属相接合成的电路上，同时在其中一端的接点处以烤炉加热，而见到指针出现偏转的现象。这意味着不同导体间的温差会产生电流。热测试中最关键的测试工具 —— 热电偶的测温原理就是热电效应。
1834 年，Peltier 发现了另外一种效应：在不同金属间施加直流电时，除产生焦耳热外，热量还会产生定向转移，即两种金属间会出现温差。这就是热电冷却器（Thermoelectric Cooler，TEC）的工作原理，称为帕尔贴（Peltier）效应。半导体材料的帕尔贴效应相对纯金属而言强很多，因此，常见的热电冷却器内使用的是半导体材料。加之温差的产生条件是不同材质之间的电流，故热电冷却器中同时包含 P 型和 N 型半导体，这类热电冷却器又称为半导体冷却器，如图 10-1 所示。
与风扇类似，TEC 本身也是一个电子元器件。在实际应用中，为强化热电冷却效应，常见的半导体制冷器会由多个 P 型和 N 型半导体材料结构件以电串联而热并联的形式组合而成。在需要制造大温差的场景中，热串联的多层 TEC 也有使用。
10.2 热电冷却器在电子散热中的优缺点¶
TEC 在电子产品中使用时，可以将冷面与发热芯片贴合，热电冷却器通电后，由于热电效应，冷面将会吸收发热芯片的发出的热量，热面则释放大量热。这时，如果必要，则可以在热面贴合散热器从而将热量及时转移到外界环境中。
除了热电式散热器，TEC 还可以用在高防护要求的户外电子设备中实现设备舱内空气的冷却。如图 10-2 所示，TEC 安装在户外机柜的机柜门上，冷面贴近内舱，机柜内的热空气经过冷面后，热量被冷面吸走而变为低温空气。热量借由热电效应转移到热端，在置于舱外的散热器和风扇的作用下散失到周围环境中。这样，机柜无需与外界环境产生任何物质交换，就可以将热量传递到舱外，从而实现很高的防水、防尘等级。
从散热设计的角度看，半导体制冷片作为一种特殊的冷却装置，在技术应用上具有以下的优点和不足。
优点：
载的情况下，通电不到一分钟，制冷片就能达到最大温差。
5）热电效应具有制冷功能，可以将热源温度控制到环境温度以下，这是常规的风冷、自然冷却甚至液冷无法做到的。
不足：
1）制冷温度与环境温度有关；
2）制冷效率相对不高；
3）热电冷却器本身并不具备冷却能力，仅仅是耗费电量，营造温差。从能量守恒角度来看，热电冷却器最终仍会增加整个系统的能耗和热耗。
在一些小尺寸的电子产品中，制冷效率低是制约 TEC 应用的关键因素。因为这意味着 TEC 的使用带来了整个系统的热耗大幅上升，加重了整个系统的散热负担。在产品热设计中，需要评估清楚为了达到局部低温的目标，增加这些负担是否值得，以及是否有手段去解决这些额外的负担。
一个不可忽略的事实是，热电效应使得另外一侧温度升高，这样高温面与环境之间的温差加大，热量传输动力更大。某些情境下，予以引导，也可能给电子产品的热设计带来创新空间。
10.3 热电冷却器的选型步骤¶
热电冷却器的选型是一个迭代过程。除基本尺寸信息之外，一个典型的 TEC 技术规格书中还包含以下基本信息：
\(Q_{cmax}\) ：当冷热面温差为 \(0^{\circ}C\) 时，热电冷却器能够转移的热量。
\(I_{max}\) ：热电冷却器允许通过的最大电流，通常建议工作在最大电流的 70% 左右。
\(V_{max}\) ：热电冷却器通过最大电流时，热电冷却器两端的电压，通常建议工作在最大电压的 70% 左右。
\(DT_{max}\) ：当热电冷却器通过最大电流，且热电冷却器加载的热量为零时，热电冷却器两端所达到的最大温差。
COP：综合性能系数（Coefficient of Performance），表示冷却的热量值与输入能量的比值 \(Q_{c}/(V \cdot I)\) 。
\(T_{h}\) ：热电冷却器热端温度。
\(R_{AC}\) ：热电冷却器的电阻。
对 TEC 的选型设计而言，有如下几种问题组合出现，通过规格书的查找比对，都能获得结论：
1）已知冷热端温度、要解决的热量以及 TEC 的型号，计算产品的工作电流和工作电压；
2）已知冷热端温度、TEC 型号和工作电压，推算工作电流和可解决的热量；