总结：本文比较了 5 种热管散热器设计的成本和性能：

  1. 带有 U 形热管和__实心铝基板的散热器
  2. 带有 U 形热管和__实心铜基板的散热器
  3. 与热源直接接触的U 形热管散热器
  4. 与热源直接接触的U 形均热板散热器
  5. 使用3D 均热板热管的散热器

散热器设计考虑因素通常包括热管作为更先进的热解决方案的一部分。今天，让我们看看一些热管散热器设计，其中两相器件需要垂直定向，以便将它们嵌入到水平定向的散热器翅片中。确定最佳设计涉及将性能和成本与特定应用要求进行比较。
散热器性能由使用 FloTHERM CFD 软件的总 delta-T 决定，而成本/价格则基于足以证明硬工具合理性的体积。此外，散热器成本使用低成本解决方案作为基线（1.0X）表示，其他热管散热器设计选项表示为基线的倍数；价格高出 20% 的散热解决方案的成本是 1.2 倍。

热管散热器设计：热解决方案参数

  • 热源热设计功率（TDP）：250瓦
  • 热源尺寸：30×30 mm
  • 最高环境温度：25 o C
  • 可用气流：40 CFM
  • 冷凝器：拉链鳍片尺寸 1158565 毫米，鳍片水平运行
  • Max Tcase 和/或 Tjunction：未指定（我们可以假设分配值以查看热预算如何变化以及对热管散热器设计选择的影响）

对于那些不太熟悉 Tcase 重要性的机械工程师，这里有一个简单的解释。最大 Tcase 温度减去最大环境温度给了我们“热预算”。该数字必须高于散热器 Delta-t 计算以确定通/不通性能。例如，40 o C 的热预算要求从外壳 TIM 到翅片到空气温升的最大散热器 delta-T 低于 40 o C。

热管散热器设计#1 和#2：实心铝与实心铜底座

这是最传统的热管散热器设计。在热源和实心铝基板底部之间使用导热油脂/垫。热管焊接在底板上。此示例显示了略微扁平的管道，但如果将每个热管的凹槽切入基板，则可以使用圆形热管。

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带有实心铝或实心铜（未显示）底座的 U 形热管散热器

铝基热管散热器设计CFD

带有铝制安装板解决方案的散热器的 FloTherm 模型显示高于环境温度的温升为 53.9 o C（78.9 – 25 o C = Base Maximum – Max Ambient）。将散热器温升 (53.9) 除以热源功率 (250 瓦) 可以得出该热管散热器的热阻：0.2156 o C/watt。对于这些示例，这是低成本解决方案，因此其成本基准是 1.0X。

热管散热器的成本和实心基础设计的性能
如果需要更高的性能，铜基板可以代替铝基板。由于导热性是铝的两倍，铜底座将性能提高了 2.3 o C 至 51.6 o C。这种设计比基线贵 5%，并且由于在下方增加了铜芯（相对于铝）的重量，因此重量略有增加热管。

热管散热器设计#3：直接接触热管

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直接接触热管散热器

这种热解决方案允许热源与热管直接接触，消除了基板（在传导方面）和接口（用于将热管固定到基板的焊料）。然而，为了达到必要的表面平整度，必须对热管进行机械加工（二次操作）。
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CFD 直接接触热管

由于热通道减少了一块基板和一个界面，因此该设计的性能提高到 49.3 o C；比基线提高 4.6 度，比使用铜基板的设计提高 2.3 度。然而，基板的额外加工（HP 可以通过的空间）和热管的加工产生的成本是 Baseline 设计的 1.1 倍（贵了 10%）。
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热管散热器固体和直接接触热管底座的成本和性能

热管散热器设计#4：U 形直接接触蒸汽室

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U 型蒸汽室

这种散热解决方案设计使用 U 形均热板，取代了四个 6mm 热管。它与直接接触热管解决方案最相似，因为两种设计都允许热源与两相设备直接接触。选择这种散热解决方案之前的一个重要考虑因素是散热器供应商是否能够制造 一体式均热板 ，因为传统的两件式设计无法弯曲成 U 形。
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CFD U 形蒸汽室散热器

与直接接触式热管解决方案相比，均热板散热解决方案的性能提高了 21.5%（散热器 delta-T 降低了 11.6 o C），而成本仅增加了 4.5%。然而，蒸汽室壁厚的增加导致重量增加约 75 克。
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热管散热器固体和直接接触底座的成本和性能

热管散热器设计#5：3D 蒸汽室

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3D 蒸汽室散热器

底板是一个蒸汽室，垂直冷凝管共享相同的蒸汽空间。它是通过将 8 个端部开口的冷凝器管钎焊到带有相应孔的均热板制成的。均热板与热源直接接触，热源沿 XY 平面均匀分布并垂直通过冷凝器管。

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CFD 3D 蒸汽室

这种热设计具有最佳性能，但成本溢价相当可观。与其下一个最接近的竞争对手蒸汽室设计相比，这个设计的温度几乎降低了 2 度（增加了 4.9%），但成本却高出两倍多（增加了 117%）。
应该注意的是，该应用程序并未完全突出 3D 均热板设计的潜在优势。随着所需底板尺寸的增加，该解决方案与均热板之间的性能差异也会增加。

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热管散热器设计所有选项的成本和性能

上表显示，随着材料或两相设备的改变，实现了相当大的性能提升。从基线铝基板散热器到 3D 均热板解决方案，性能提高了 17 o C，但成本增加了 150%。
通过将基板更改为导热性更高的铜材料或允许热管与热源直接接触，可以实现与基线相比适度的性能提升和成本增加约 7-15%。
考虑到应用参数，最好的整体价值可能是 U 形均热板冷却解决方案。虽然它比基线贵 15%，但性能提高了 28%（提高了 15.2 o C）。