热管设计指南

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（带水）。这通常转化为 20-200 瓦之间的耗散热量（如果功率密度高，则更少）和高达约 25 W/cm 2的功率密度。如果您需要更多基本的热管信息，请访问以下两个页面：热管 101和热管技术概述
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. 热管选择示例
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

如果使用得当，并且在适当的条件下，热管可以显着提高散热器的性能。这种设计现实是由于热管的导热率非常高；一般是实心铜的10-100倍之间。与固体金属不同，热管的热导率随几个变量而变化——长度是最显着的。因此，50 毫米或更短的非常短的热管具有热性能，使用实心铜或铝可能会更好地发挥作用。以下是作为散热器组件一部分的热管最常见的使用配置：

将热量转移到远程散热器

热管用于将热量以任何方向或方向从热源（蒸发器）转移到散热器（冷凝器）。下图是几个例子。

用于将热量转移到远程散热器的热管

将热量散布到局部散热器

当需要两相设备但成本是驱动因素时，可以使用热管将热量散布到局部散热器。在这两种应用中的任何一种中，蒸汽室都会将总散热器的 delta-T 降低 4-9 o C。改进是由于均热板的热阻较低以及它与热源的接口方式（直接接触）。请注意，这两个示例都使用连接到热源的实心铜散热器，然后热量转移到热管（间接接触）。

用于将热量散布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限制为 0-250 o C，尽管实际上热管直到 20 o C 左右才真正开始工作。低于 0 o C，水在烧结灯芯结构内结冰，但由于液体量很少，不会因膨胀而造成损坏。例如，长度为 150 毫米的典型 6 毫米热管含有大约 1 毫升的水。
关于热管可靠性的快速说明。几十年来，热管已经进行了广泛的测试。它们的典型寿命至少为 20 年，并且可以经过数千次冻融循环而不会损坏。热管故障最有可能发生 A）由于制造工艺不良和 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 通过氦气测试每条热管的泄漏和 Qmax 性能来减轻故障的第一个原因。故障的第二个原因可以通过对热管镀镍来解决。

Celsia 热管和散热器测试

下表提供了热管规格和公差。如有任何其他问题，请与我们联系。

热管规格和公差

热管性能

热管承载能力 (Qmax) 是衡量设备可以承载的热量（以瓦特为单位）的量度。它主要受烧结芯材料的毛细极限控制，其性能可以通过改变芯的厚度和/或孔隙率/渗透率来改变。然而，没有一种理想的灯芯设计。它根据应用程序的要求而变化。
Celsia 的在线热管计算器提供基于两种灯芯设计的性能信息：标准和性能。但是，我们会定期设计定制灯芯结构以精确匹配客户要求。这些包括改变从热管的一个部分到下一个部分的芯结构的能力。如果您需要此处未提供的性能数据，请联系我们。
下面的图表显示了热管计算器使用以下用户选择的参数的输出：

• 热管长度：200mm
• 蒸发器长度：25mm
• 冷凝器长度：75mm
• 灯芯类型：标准
• 工作温度：60 o C

第一个图表显示了热管承载能力 (Qmax) 与工作角度的关系。在 +90 度时，蒸发器位于冷凝器的正下方，在 –90 度时则相反。

使用热管计算器

当需要反重力工作时，热管承载能力会降低

虽然此图表显示 Qmax 从 +90 到 -90（标准灯芯）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，如果应用程序要求热管在不小于水平（0 度）的情况下运行，则在前面显示的输入参数下，8 毫米热管将携带来自热源的 62 瓦功率。
计算器中的下一个图表（未显示）和相关表格（显示）与从热管一端到另一端的温度变化（delta-T）有关。该测量值不是实际长度，而是有效长度，即从蒸发器中点到冷凝器中点的热管距离。

用于计算热管热阻的图表

要计算热管热阻，请将其 delta-T 除以功率输入。通过选择输入功率为 40 o C 的 8 mm 热管，热阻为 4.3/40 = 0.11 o C/W。此外，热管计算器提供热导率，用作 FloTherm 等 CFD 程序的必要输入。有关如何使用热管计算器的更多信息，请访问此链接。

热管设计的二次操作

在将热管集成到散热器中之前，工程师有几个二次操作可供选择。

压平热管

通常，烧结铜热管可以被压扁至其原始直径的最大 30% 至 65% 之间。然而，热管承载能力往往受到负面影响。下表显示了最常见的热管尺寸（圆形与扁平）的 Q max 。例如，一个 3mm 的热管加肥到 2mm，即使管子只被压扁了 33%，其热承载能力也会降低 30%。将其与扁平为 2mm 的 6mm 热管进行比较。它的 Q最大值降低了 13%，即使它平坦了 66%。

扁平热管功率承载能力
* 水平方向
** 更厚的墙壁和灯芯结构
为什么扁平化较小的热管对 Q max有更大的负面影响？简而言之，有两个对地面应用很重要的热管性能限制：芯限制和蒸汽限制。灯芯限制是灯芯将水从冷凝器输送回蒸发器的能力。如前所述，芯的孔隙率和厚度可以针对特定应用进行调整，从而允许改变 Q max和/或抵抗重力的能力。特定应用的蒸气限制取决于蒸气从蒸发器移动到冷凝器的可用空间。对于为满足应用要求而设计的热管，这两个限值中的较低值决定了 Q max。

热管 QMax 是灯芯和蒸汽限制中的较小者

上图说明了这种动态。圆形 3 毫米热管（蓝色和橙色线）具有几乎相同的蒸汽和灯芯限制。将其压平至 2 毫米会导致蒸汽限制低于灯芯限制。对于 6mm 圆形热管，存在大量过量蒸汽限制，因此 Q max不会降低，直到管道显着减少。

弯曲热管

弯曲热管也会影响最大功率处理能力，对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 45 度弯曲将使 Q max降低约 2.5%。从表 1 中可以看出，8 毫米热管在压扁至 2.5 毫米时，其 Q最大值为 52 W。将其弯曲 90 度将进一步降低 5%。新的 Q最大值将为 52 – 2.55 = 49.45 W。

关于热管弯曲的文章

热管电镀

镀镍热管是为了防止零件暴露在环境中的腐蚀。它也可以纯粹出于审美原因。

热管选择示例

假设一个 20 x 20mm 的热源在一个 90 度弯曲处耗散 70 瓦的功率 - 什么是合适的热管选项？

示例：选择正确尺寸的热管

1. 为确保每条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。这可以通过三个圆形 6 毫米热管或两个扁平 8 毫米热管（扁平到 2.5 毫米）来完成。
2. 确保每根管道都能承受 70 瓦的热负荷。三根 6mm 的热管每根可以承载 38 瓦 = 114 瓦，而两根 8mm 的扁平管总共可以承载 104 瓦。
3. 将热管承载能力降低 25%（良好的设计实践）。降额的 6 毫米选项可以携带 85.5 瓦总功率，而 8 毫米选项可以携带 78 瓦。
4. 通过对 45 度弯曲降低 2.5% 来考虑弯曲。这里我们有一个 90 度的弯曲，所以这两个选项可以分别承载 81W 和 74W。

从该分析中可以看出，两种热管配置都足以将热量从蒸发器传输到冷凝器。那么为什么选择其中之一呢？从机械角度来看，它可以简单地归结为蒸发器处的散热器堆叠高度，即 8 毫米配置比 6 毫米配置具有更低的轮廓。相反，冷凝器效率可以通过在三个位置而不是两个位置进行热输入来提高，因此必须使用 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。当热管用于移动热量（相对于传热）时，这是一个两步过程：蒸发器处的散热器集成和冷凝器处的散热器集成。

热管与热源（蒸发器）的接口

热管与蒸发器的连接有两种常用的方法：间接和直接。

热管CPU接口| 间接与直接

将热管与热源匹配的更具成本效益的方法通常是通过底板。这可以用铝板或铜板来完成（如左图所示）。除了成本优势外，这种方法还可以在热源远小于热管接触面积的情况下，将热量更均匀地分布到每根热管上。
从蒸发器到热管的直接接口通常保留用于出于性能原因需要移除基板和相关的附加 TIM 层的情况，如左图所示。这会带来成本问题，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。

热管与翅片组（冷凝器）之间的接口

最后一步是将热管正确集成到散热器的冷凝器部分。这是一种使用热管将热量散布到局部散热器（左下图）的情况，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 | 通过鳍连接

将热量转移到远程冷凝器时，有两种常见的热管安装配置。第一个与上面的方法相同。即，扁平热管焊接到扁平底座或圆形热管焊接到开槽底座。如果翅片叠层很大，则需要通过将热管穿过翅片叠层的中心来更均匀地分布热量，如上右图所示。

热管建模技巧

在使用 FloTherm 等 CFD 程序或开发 Excel 模型时，需要输入热管有效导热率。以下是使用我们的热管计算器查找这些数据的方法。输入所需的输入后，计算器的第一个表格提供了热管有效热导率数据。

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法。只需将输入到每个热管的功率乘以它的热阻估计值 - 这将为您提供估计的热管 delta-T。对于 3-8 毫米的热管，使用 0.1 o C/W 或 0.075 o C/W 用于较大的。然后输入一个热导率数据（从 4,000 W/mK 开始并上升），直到建模的 delta-T 等于粗略计算的 detla-T。