節選自陳繼良 《從零開始學散熱》

特別感謝作者和 機械工業出版社 授權

從傳熱學理論中可以看到，提高導熱系數能夠有效強化傳熱。以導熱為例，當傳熱面積很小時，傳遞相同的熱量，導熱系數越高，需要的溫差越小。當前，芯片尺寸越來越小，發熱量越來越大，如將這些熱量轉移到一定位置所“耗費”的溫差也越來越大。為緩解這一趨勢，人們不斷采用更高導熱系數的材料制成傳熱通路。但這些材料的導熱系數多數在~10² W/(m?K)，即便是石墨片，也僅~1000W/(m?K)。而由于石墨片越厚（代表橫向熱流截面積）其水平方向導熱系數越低，因此其熱流動效率并不高。因此，設計更高傳熱效率的傳熱部件就變得越來越關鍵。在這種需求下，熱管和均溫板應運而生。

熱管和均溫板的特點和典型應用

熱管（Heatpipe）和均溫板（Vapor Chamber，簡稱VC）在高功率或高集成度電子產品中應用廣泛。當使用得當時，它可以被簡單地理解為一個導熱系數非常高的部件。不難理解，熱管和VC可以有效消除擴散熱阻。

熱管最常見的應用實例就是鑲嵌在散熱器中，將芯片的熱量充分均攤在散熱器基板或翅片上。如左下圖所示，當芯片發出的熱量經由導熱界面材料傳遞到散熱器上后，由于熱管導熱系數極高，熱量可以以極低的熱阻沿熱管傳播。此時，熱管又與散熱器翅片相連，熱量便可以更有效地通過整個散熱器散失到空氣當中。右下圖是基板中鑲嵌熱管的散熱器。當芯片發熱面積相對較小時，直接傳遞到散熱器的基板，會使得基板溫度分布具備較大的不均勻性。加裝熱管后，由于熱管導熱系數很高，便可以有效緩解溫度的不均勻性，提高散熱器的散熱效率。

圖1 熱管散熱器

熱管的另一種應用場景是熱量的高效轉移。這種設計在筆記本中非常常見。具體的設計起因是：芯片發熱的地方，沒有足夠的空間安裝散熱器，而在產品的另外較遠處，有相關空間可以安裝散熱強化部件。這時，可以用熱管將芯片發出的熱量轉移到合適的空間處進行散熱。

圖2 熱管充當“熱量轉移橋”

VC均溫板的使用相對單純很多，因為均溫板不能像熱管那樣靈活彎曲。但當芯片熱量非常集中時，均溫板的優勢就可以體現出來。這是因為，均溫板就類似一個“拍扁”的熱管，它可以將熱量非常順暢地均布到整個板面上。而使用熱管鑲嵌基板的設計，那些不被熱管覆蓋的“盲區”仍會存在較大的擴散熱阻。

圖3 基板鑲嵌熱管時出現的均熱“盲區”

當芯片熱量非常集中時，這些盲區有時會導致非常明顯的溫差。這時，如果使用均溫板，就會消除這些盲區，散熱器的整個基板都會被完整地覆蓋，擴散熱阻被更有效地削弱，進而提高散熱器的散熱效率。

圖4 采用VC作為基板的散熱器

熱管或VC的性能指標

熱管和VC最重要的性能指標有三個，分別是最大熱傳量Qmax，熱阻R和啟動溫度T0。其定義分別如下：

• 最大熱傳量Qmax： Qmax的值等于如下情境中的發熱量：熱管或VC的蒸發段貼合發熱量為Q的發熱源，測量得出的蒸發段和冷凝段之間的溫差在規定的范圍內（工程上通常使用5℃作為判定標準，部分嚴格標準采用2℃），單位為W；
• 熱阻R：當傳遞大小為Q的熱量時，實際測得的蒸發段和冷凝段之間的溫差為ΔT，熱阻的值就是ΔT/Q，單位為℃/W或者K/W；
• 啟動溫度T0：熱管內進行的是一個蒸發冷凝的過程。但流體的蒸發和冷凝必須在一定的溫度、壓強條件下才會發生。啟動溫度T0是指熱管或VC內形成相變換熱循環時所需要的最低溫度。啟動溫度很低時，就需要用沸點更低的工質，如氨水，極低的溫度，甚至可以使用氧氣、氮氣這類沸點很低的介質；
• 抗重力特性或方向性：從熱管的工作原理可知，管內傳熱過程存在一個液體回流的過程。當重力有助于液體回流時，管內冷熱循環效率更高，熱管的效能會獲得重力的加持，表現為最大傳熱量的增加或相同傳熱量時熱阻的減小，當重力不利于液體回流時（液體回流方向和重力方向相反），熱管的最大傳熱量就會下降。在選擇熱管時，必須考慮熱源所處的位置和重力方向的相對位置。通過設計毛細結構，加大回流的毛細力，能夠提高熱管抗重力特性，但加大毛細力通常意味著更厚的毛細結構，實際上會犧牲了熱管在非逆重力情況下的傳熱效能（如下圖紅色線所示）。

圖6 常規熱管的最大傳熱量隨工作反向的變化圖^[2]

熱管的這四個關鍵特性或指標主要與管徑、吸液芯滲透率和孔隙率、吸液芯厚度、工作流體性質、充液量、內部真空度、管壁厚度，折彎角度和工作環境等多個因素有關。當熱管被拍扁或者折彎時，內部的蒸汽流動空間縮小，液體流動的毛細結構也會被不同程度的損傷，因此其傳熱性能就會有所衰減。同樣，越薄的VC，其上述三個性能指標也會降低。

參考文獻

[1] 楊世銘, 陶文銓. 傳熱學第三版[M]. 高等教育出版社, 1998.

[2] George Meyer. Heat Pipes & Vapor Chambers Design Guidelines.Thermal Alive, 2016

[3] Tang Heng, Tang Yong, et al. Review of applications anddevelopments of ultra-thin micro heat pipes for electronic cooling[J]. AppliedEnergy, 2018, 223:383-400.等等

陳繼良所著書籍《從零開始學散熱》，已于2020年在機械工業出版社出版發行。該書在京東，天貓，當當等機械工業出版社旗艦店均有銷售。

陳繼良從零開始學散熱 視頻課程匯總：

1—從零開始學散熱 —— 熱設計200問

從零開始學散熱 —— 熱設計200問視頻教程_培訓課程-技術鄰 (jishulink.com)

2—從零開始學散熱——實用Flotherm熱仿真培訓教程

從零開始學散熱——實用Flotherm熱仿真培訓教程視頻教程_培訓課程-技術鄰 (jishulink.com)

3—從零開始學散熱——實用Ansys Icepak熱仿真教程

從零開始學散熱——實用Ansys Icepak熱仿真教程視頻教程_培訓課程-技術鄰 (jishulink.com)

4—從零開始學散熱——實例、方法和思維

從零開始學散熱——實例、方法和思維視頻教程_培訓課程-技術鄰 (jishulink.com)