本文探讨了用于电子冷却的不同类型热管的设计和最佳用途。这些包括：

  • 标准热管和蒸汽室
  • 可变传导热管 (VCHP)
  • 热虹吸管和环路热虹吸管
  • 循环热管
  • 旋转热管
  • 振荡/脉动热管


标准热管 | 蒸气室

恒导热管（标准或 CCHP）和均热板是迄今为止用于冷却电子设备的最普遍的热管类型。由于 Celsia 有很多关于这个主题的网站页面（见下文），我们不会在这里进行深入探讨。但是，在将它们与其他类型进行比较时，我们将使用标准热管的这个定义：铜外壳，带有铜烧结芯结构，连接到设备的整个内壁，少量水作为工作流体.
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标准热管内部工作

与许多其他类型的热管一样，标准热管可以由不同的外壳材料制成，使用不同的灯芯结构，并具有替代的工作流体。但是，这些主题超出了本文的范围。请参考这些热管链接以供进一步阅读：
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至于蒸汽室，Celsia 有很多关于这些设备的文章，所以我会简要介绍一下。首先，均热板不仅仅是扁平的热管。确实，最常用的均热板与它们的热管表亲（铜外壳、烧结芯、水工作流体）非常相似，但它们的设计目的是用作平面散热装置，需要一个支撑结构来确保足够的蒸汽流动和结构夹紧载荷下的完整性。热管可以展平到大约 4:1 的宽高比，而蒸汽室可以达到 60:1 的宽高比。这种设计使它们成为更好的散热器，非常适合需要高度等温的应用。
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蒸汽室工作原理

蒸汽室的变体包括 2 件式和 1 件式结构。第一种使用传统的制造方法，将两块冲压铜板粘合在一起，配有灯芯结构、工作流体和额外的支撑结构。一件式设计开始时是一根非常大的管子（直径最大为 70 毫米），在添加支撑结构后将其烧结然后压平。这种设计的好处包括降低成本和弯曲成“L”和“U”形状的能力。以下是一些有用的蒸汽室链接：
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下面讨论的所有热管变体都有一些共同特征：它们使用与应用的环境操作条件相匹配的工作流体，“热管”的外壳可以由多种材料制成，但必须与工作流体，并且该装置被抽真空以形成真空，从而允许工作流体在低于大气压下所需温度的温度下蒸发。简而言之，所有变体都是两相设备。

变导热管

与标准热管或蒸汽室（恒定电导装置）相比，可变电导热管 (VCHP) 可最大限度地减少蒸发器的温度波动，通常在工作温度范围的下端。根据功率输入和/或环境温度的变化，该设备通过限制热管内的蒸汽空间来使用不同程度的冷凝器翅片面积。
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可变传导热管 (VCHP)

从理论上讲，这是一个非常简单的执行。在标准热管中添加不凝性气体 (NCG)，例如氮气或氩气，可将其变成可变电导热管。这是它的工作原理。热管和相关的冷凝器（翅片组）的设计必须能够以最高规格额定值处理功率和环境温度。在这种情况下，我们希望热解决方案的行为与常规热管配置一样 - 工作流体蒸汽能够到达整个冷凝器长度。在这里，在温度上限处，工作流体蒸汽压力足够高，可以将所有 NCG 推到热管的最末端，超出冷凝器区域。这允许使用所有冷凝器翅片区域将热量排放到空气中。有效，
然而，当环境温度降低和/或当热源不在全占空比时，NCG 膨胀以填充热管蒸汽空间的增加部分。这可以防止低压工作流体蒸汽到达冷凝器翅片区域的一部分或大部分。结果是热解决方案现在具有更高的热阻（更少的冷凝器面积），因此蒸发器比使用标准热管散热器时更热。
在实践中，这些设备非常细微。如本文开头所述，可以使用不同的信封、工作流体以及在这种情况下的气体来达到特定的效果。此外，NCG 的区域可以简单地位于标准热管的末端（无水库），它可以包含一个水库（如上所示），或者它可以包含一个可伸缩的柔性气囊系统。

热虹吸管 | 循环热虹吸管

作为一般规则，热虹吸管只是无芯热管——尽管它们有时包括一个带凹槽的“芯”，有助于增加内壁的表面积并让冷凝液更容易返回蒸发器。无论如何，它们必须以允许重力将液体拉回热源的方向使用。换句话说，冷凝器必须在蒸发器的上方。
相对于标准热管，对于给定直径的管道，热虹吸管可以承载高达三倍的传热能力 (Qmax)，从而实现更小体积的热解决方案。此外，由于重力用于液体返回，热虹吸管可以传输数十米的热量。热管在重力作用下垂直工作的功能极限约为 150 毫米。
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Wickless (L) 和 Partial Wick (R) 热虹吸管

在蒸发器部分添加烧结灯芯可降低热阻并增加处理更高功率密度的能力（如上所示）。它还允许优化流体填充，有效地减少所需的液体。这几乎消除了冻结造成损坏的可能性。在上图中，请注意灯芯仅用于热虹吸管的蒸发器部分。
限制之一是沿不同方向（逆流）行进的蒸汽和液体冷凝物的相互作用。为了缓解这个问题，回路热虹吸管设计结合了单独的蒸汽路径和液体返回路径。
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循环热虹吸管

循环热虹吸管不一定需要在蒸发器上安装灯芯。但是，使用灯芯会降低蒸发阻力并增加最大功率密度。此外，当使用水作为工作流体时，灯芯可以减少结构损坏的可能性，因为需要的水更少。
有关这些设备的更多信息，请查看我们的热虹吸技术概述文章。

回路热管

回路热管类似于回路热虹吸管，但可以通过冷凝器上方的蒸发器逆重力运行。其操作取决于工作流体在加热时获得足够高的蒸气压以将液体冷凝物推回设备的蒸发器部分的能力。不幸的是，这通常不能用水作为工作流体来完成。相反，回路热管使用氨等制冷剂，在电子设备工作温度下可以实现高压。基于氨的回路热管的典型工作温度在 -40 到 70 摄氏度之间。通常，我们在与空间相关的应用中看到这种类型的设备。
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回路热管

上图展示了一个环形热管以及矩形水库内芯结构的分解图。由于热源位于储液器的背面左侧，液态氨变成蒸汽。由于有邪恶的储液器，蒸汽被阻止从右侧管中逸出，并被迫进入左侧的水平管。在冷凝器部分之后，管子变窄，因为液体所需的尺寸比蒸汽所需的尺寸小很多。由于管本身内部没有芯结构，冷凝水依靠其后面的蒸汽压力将其向上推到管上，在那里它可以被储液器中的芯结构重新吸收。

旋转热管

旋转热管依靠旋转力将液体移回蒸发器；两种不同的设计是典型的，都包含在下图中。第一种使用无芯铜管，在冷凝器端有更厚的锥形壁。当蒸汽变成冷凝液时，旋转管道产生的离心力将液体推回蒸发器端。第二种需要沿着内壁的非锥形螺旋凹槽（很像步枪枪管）。出于成本原因，后者通常是最佳选择。通常，旋转热管用于去除电机和其他旋转机械（例如电信中使用的射频旋转接头）中产生的热量。
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旋转热管。在一张图片中描绘了两种设计。

振荡/脉动热管

振荡热管最初创建于 1990 年代初期，是两相系列的最新成员。该装置的早期版本（未显示）通常为平面矩形，由下板和光滑的上板组成，下板加工一系列相互连接的通道，上板与下板、空气和工作流体结合。它们之所以如此命名，是因为当它们移动到较冷的区域时，间歇性的液体和蒸汽会来回脉动。
今天，关于振荡热管的大部分研究都涉及类似于标准热管组件的设计。如下图所示，由一系列 U 形弯头组成的无芯闭环管嵌入蒸发器底座和冷凝器翅片中。试管通常充水或乙醇至其体积的 30-80% 并抽空。当施加热量时，形成蒸汽泡，产生交替的蒸汽和水段。进一步加热会使蒸汽团块膨胀，将水团块推向冷凝器，这与咖啡渗滤器的工作方式非常相似。
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振荡热管

这是一个优秀视频的链接，该视频展示了一个闭环振荡热管的 ANSYS 仿真（来自 YouTube 频道 EasyMechLearn）。
振荡热管的优点包括能够比标准热管工作更远的距离，以及在逆重力工作时（当冷凝器低于蒸发器时）具有非常好的性能。一些可能的缺点包括启动问题和低温或低功率下的操作性能。此外，由于振荡热管的内径由工作流体的粘度和表面张力决定，因此内管直径较小，因此载热能力 (Qmax) 和功率密度低于其他两相装置边。