在热系统设计项目的某个阶段，很明显，提高热效率的久经考验的真正方法——坚固的底座、散热片和风扇——是不够的。原因包括：

  • 禁区禁止使用较大的散热器（较厚的底座、增加的散热片区域等）
  • 无法增加外壳尺寸和/或气流。
  • 全部或部分过渡到实心铜散热器会增加过多的重量，在某些情况下还会增加过多的成本。
  • 组件功率/密度需要将热量转移到距离热源超过 40-50 毫米的远程位置。

无论出于何种原因，大多数热力工程师都需要在他们参与的众多项目中使用热管或均热板的两相冷却解决方案。但是，哪一个可能是最好的选择？在今天的博客中，我想对这些非常相似但又有些独特的两相器件之间的结构差异和热设计注意事项进行简要概述。

可能不言而喻，但所有两相设备的工作原理都是相同的。灯芯结构（烧结粉末、筛网和/或凹槽）应用于外壳（管状或平面形状）的内壁。将液体（通常是水）添加到设备中并真空密封，此时灯芯将液体分布在整个设备中。当热量被施加到一个区域时，液体变成蒸汽并移动到压力较低的区域，在那里它冷却并返回液体形式，然后它通过毛细作用回到热源。从这个意义上说，热管和蒸汽室是一回事。
为简单起见，我将重点介绍最常见的两相装置类型：全铜容器，使用烧结铜芯结构，水作为工作流体。

结构设计与成本



热设计注意事项

热管

几十年来，热管一直是热工工程师默认选择的两相设备，这主要是由于相对于均热板的成本差异。它们既用于热传输，在这方面仍然具有优势，也用于热传播，通常使用多个彼此靠近的管道。对于可能只需要单个小型热管或必须有效传输热量的低功率应用，热管由于其低成本和设计灵活性仍然保持主导地位。

热管冷却笔记本电脑（维基百科）

更大的总功率和功率密度最终导致使用多个热管来解决热挑战。下面的两张图片都是小型高性能台式电脑的散热器。左边的那个在热源和热管之间使用铜基板，这在热管应用中很常见（间接接触）。随着该产品的下一代处理器热量增加，该公司遇到了散热问题，但不想从根本上重新设计散热解决方案，如右图所示。在这里，蒸汽室取代了铜基板，将热量更均匀地分布在热源上，并将其更有效地传递到热管。这是如何一起使用两种类型的两相设备的一个很好的例子。

热管散热器 - (L) 使用实心铜基板，(R) 使用蒸汽室 (ixbtlabs.com & Celsia)

这个问题的一个潜在替代方案可能是实施一些所谓的“直接接触”热管。但是，这种解决方案也有其缺点。如下所示，此设计选项使用略微扁平和机加工的热管，安装在铝制安装支架中，与热源直接接触。在消除基板和额外的 TIM 层（降低热阻）的同时，它不会像均热板解决方案那样有效地传播热量。

直接接触热管 (Silverstonetek)

传统（2 件式）蒸汽室

大多数蒸汽室制造商使用传统的两件式设计。虽然研究和实际应用表明，使用均热板的散热器的性能可以比其热管对应物提高 20-30%，但与多热管配置相比，两件式设计的成本影响大致相同。尽管如此，蒸汽室的使用随着当今设备的功率和功率密度的增加而增长。
由于它们在散热方面做得非常出色，允许使用薄型散热器，几乎可以制成任何形状、压花并与热源直接接触，因此这些器件用于各种高功率应用。以下是使用两件式均热板的散热器的两个示例。

传统的两件式蒸汽室 (anandtech.com & Celsia)
如前所述，这种设计的成本增加有时会限制其在热解决方案中的应用。另一个潜在的缺点是 z 方向的设计灵活性很小。例如，制作 U 形虽然可以想象，但从可制造性/成本的角度来看是不切实际的。

混合（一件）蒸汽室

越来越多的制造商提供一体式均热板，是两件式均热板的成本降低版本，但在保持热性能特征的同时增加了一些独特的功能（例如 U 形弯曲）。与热管一样，一体式产品的生命周期始于单根铜管，因此称为一体式。与传统的两件式设计一样，一件式均热板与热源直接接触，具有多向热流，可支持高达 90 PSI 的夹持力。但是它们的生产成本较低，因为它们需要较少的工具，不使用单独的支撑柱，并且不必在所有四个侧面上进行焊接。以下是一些一体式均热板的示例。

混合一体式蒸汽室

关于两相装置要记住的一点是，热管有利于移动热量而不是传播热量，而蒸汽室则相反。可以肯定的是，存在许多热挑战，其中任何一种都可以使用并获得良好的结果，因此对两种设计进行彻底的审查过程以选择一个非常重要。

两阶段热审查过程

一个典型的（虽然不是理想的）热设计方案是已经定义了几个关键变量的方案。这些包括外壳形状/尺寸、组件布局（与相关的禁区）和气流，以及热源的总功率、功率密度和尺寸。

步骤 #1 – 从查看鳍位置开始

鉴于这些限制，重点是散热器本身，应该首先了解冷凝器是远离热源还是靠近热源。

  • 如果距离超过 40-50mm，则开始使用热管进行调查。设计灵活性很高，允许弯曲和展平以符合几乎所有三个维度的任何形状。

  • 如果已经排除了本地和铜替代品，那么如果散热器与热源的周长比大于 30:1，则传播热量的均热板解决方案是最佳起点。

    第 2 步：运行 Excel 模型以确定热交换器的性能

    基于此输入，应运行一个简单的 Excel 模型来确定热交换器的性能。这告诉我们有多少热预算——翅片到空气和空气温升——正在被使用。这提供了有关剩余多少用于传导和接口的信息。由于这两个组件，鳍对空气和空气温度升高，是系统中最大的阻力，摇摆狗的尾巴，此时的设计审查是正常的，以优化鳍的面积和气流和压降.

  • 如果用于传导的剩余热预算低于 10 o C，请查看铜管或热管。对于低功率的小型设备，单个热管通常就足够了。通过总功率，我们可以估算出携带热量所需的热管数量。例如，一个 6 毫米的热管可以承载来自 45 瓦设备的功率。

  • 如果低于 5 o C，则可能需要蒸汽室。对于高功率的小型设备，通常蒸汽室是最佳解决方案。另一方面，蒸汽室通常不会达到其性能极限，因此它们的尺寸要尽可能多地覆盖散热器的底部。由于它们的扁平形式，VC 和发热组件之间存在直接接触。

上图是此类 LED 应用模型的摘要页面。在此示例中，将两个 8 毫米热管与一个 15 毫米宽且成本相似的蒸汽室进行了比较。每个“案例场景”代表使用不同长度的鳍片。如您所见，均热板解决方案提供了额外的 4-5 摄氏度的热净空，但这个增量通常更高。

步骤 #3 – 运行更复杂的 Excel 模型和 CFD 分析以优化设计

即将在 Celsia 的网站上提供，但也可从其他几个来源下载，更全面的热管和均热板建模解决方案将有助于改进两相设计，因为它考虑到灯芯特性、蒸汽空间、壁厚、工作流体的变化、外壳金属和方向。随后，CDF 建模通常用于确定整个散热器组件变化的性能。然而，有时对时间和金钱的最佳利用只是对几个热模块迭代进行原型设计和测试。

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