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怎样正确使用热管

晨怡热管 2009-7-22 18:58:53

关于电子元器件散热类热管的应用答疑--怎样使用热管

用户咨询:

晨怡热管你好:

    我公司主要产品从事放大器的设计、制作,长期以来设备使用风冷降温,对于小功率的散热效果比较理想,公司现阶段要做大功率散热实验,了解到贵公司是专门从事热管散热,我公司现阶段研发的产品功耗约为280W;要求温升不大于10度。不知能贵公司是否有相应的产品解决此散热要求?贵公司是否能够提供相应的热解决方案?

另外请教几个问题:

1. 电子散热用热管,可能达到的最大导热功率是多少?请介绍一下贵厂产品导热功率?

2. 管芯、沟槽、烧结热管特点,安装方法(图形表示好一些);

3. 怎么从温度数值反映热管的工作是否正常?

      致

礼!
     

谢谢!

期待您的回复!

晨怡热管答复:

1、首先确定功率问题,贵公司所开发产品的产品功耗约为280W,是指的是电功率还是热功率?
针对电功率和热功率计算可参考:

电功率:表示电流做功的快慢.单位时间内电流所做的功叫做电功率.公式为P=W/t=UI

热功率:单位时间内导体的发热功率叫做热功率,热功率等于通电导体中电流I的二次方与导体电阻的乘积。
即P=Q/t=(I2)*R
[解题过程]
电功率与热功率

(1)区别:电功率是指某段电路的全部电功率,或这段电路上消耗的全部电功率,决定于这段电路两端电压和通过的电流强度的乘积;热功率是指在这段电路上因发热而消耗的功率.决定于通过这段电路电流强度的平方和这段电路电阻的乘积.

(2)联系:对纯电阻电路,电功率等于热功率, P电=P热;对非纯电阻电路,电功率等于热功率与转化为除热能外其他形式的功率之和.

一般在散热功率参照上,我们一般把通行半导体功率器件的热功率,定义为电功率的2~10%,这个是经验值,仅供参考!

2、要求温升不大于10度。
在此所说的温升,参考值是什么?
一般来说,我们生产的散热类热管的测试条件是:
1、环境温度20℃,测试时间15分钟
2、加热源温度60℃
3、恒温水槽冷却水水温30℃
4、加热源由功率仪控制输入功率Qt
15分钟内,温差ΔT≤4℃  (ΔT=T1-T2),且无增大趋势     Qmax=Qt(W)

热管测试原理图

热管测试原理图

如上测试,也就是说,热管在其应用温度其间内,整条热管,不会超过4℃的温差视为合格。可以理解为,合理应用热管的超导能力,并做好足够的面积散热,一般器件表面温度不会超过环境10℃。这里重要的是,热管本身不是散热器件,而是导热器件,只有散热做的足够好,才能达到预期效果,但是,为什么选用热管作为散热辅助器件呢?引用『晨怡热管论坛』网友niko的总结:热量的急剧上升而又没有及时带走从而导致温度的急剧增加。铜块或其它高导热率的金属等和热管都能增大散热面积,却选用了热管。其主要原因是热管能将局部高热流密度展平,而是热量不能急剧上升,消去了局部热点,并通过扩大散热面积,而增加散热功率,从而保证电子器件的稳定工作。

如下对您提问进行说明:
1.     电子散热用热管,所谓的导热功率只是一个参考值,也就是说,其定义的功率,一般都是首先定义其温度区间,比如一条器件散热类热管,蒸发段温度定义为60度,冷凝段温度定义为30度,这时,其导热功率为30W,那么,两个数据有任何一个改变,其导热功率都会受影响,其走向基本是,热管两端温差越大,导热功率也就越大。
如下以我公司生产的Φ12×338  直沟槽热管做一下功率表现说明,仅供参考:

热管工艺图

热管工艺图

热管测试图

热管测试图

热管的性能表现曲线图

热管的性能表现曲线图

 由上图曲线可见,在在蒸发段选取135MM,冷凝段同样选取135MM作为测试条件,按标准测试,热管表现为导热能力为56.85W。

2.     针对热管的内部虹吸结构,本公司网站好多文献类文章都有提及,在此,再重复一次吧:

管芯的构造型式大致可分为以下几类:
    (1)紧贴管壁的单层及多层网芯此类管芯
    多层网的网层之间应尽量紧贴,网与管壁之间亦应贴合良好,网层数有l至4层或更多,各层网的目数可相同或不同.若网层多,则液体流通截面大,阻力小,但径向热阻大;用细网时毛细抽吸力大但流动阻力亦增加.如在近壁因数层用粗孔网,表面一层用细孔网,这样可由表面细孔网提供较大的毛细抽吸压力,通道内的粗孔网使流动阻力较小,但并不能改善径向热胆大的缺点.网芯式结构的管芯可得到较高的毛细力和较告的毛细提升高度,但因渗透率较低,液体回流阻力较大,热管的轴向传热能力受到限制.此外其径向热阻较大,工艺重复性差又不能适应管道弯曲的情况,故在细长热管中逐渐由其它管芯取代。
    (2)烧结粉末管芯  由一定目数的金属粉末烧结在管内壁面而形成与管壁一体的烧结粉末管芯,也有用金属丝网烧结在管内壁面上的管芯.此种管芯有较高的毛细抽吸力,并较大地改善了径向热阻,克服了网芯工艺重复性差的缺点,但因其渗透率较差,故轴向传热能力仍较轴向槽道管芯及干道式管芯的小.
    (3)轴向槽道式管芯  在管壳内壁开轴向细槽以提供毛细压头及液体国流通道,槽的截面形状可为矩形,梯形,圆形及变截面槽道,槽道式管芯虽然毛细压头较小,但液体流动阻力甚小,因此可达到较高的轴向传热能力,径向热阻较小,工艺重复性良好,可获得精确幼儿何参数,因而可较正确地计算毛细限,此种管子弯曲后性能基本不变,但由于其抗重力工作能力极差,不适于倾斜(热端在上)工作对于空间的零重力条件则是非常适用的,因此广泛用于空间飞行器。
    (4)组合管芯  一般管芯往往不能同时兼顾毛细抽吸力及渗透率.为了有高的毛细抽吸力,就要选用更细的网成金属粉末,但它仍的渗透率较差,组合多层网虽然在这方面有所提高,可是其径向热阴大.组合管芯跃能兼顾毛细力和渗透率,从而能获得高的轴向传热能力,而且大多数管芯的径向热阻甚小.它基本上把管芯分成两部分.一部分起毛细抽吸作用,另一部分起液体回流通道作用。

 轴向槽道式管芯

 组合管芯 

 单层及多层网管芯

 烧结粉末管芯

Axial Groove

Fine Fiber

Screen Mesh

Sintering

 

 

 

 

 

 

 

 

本公司生产的器件散热类的热管,内部虹吸结构主要有三类:

1、烧结热管:可生产范围为直径为Φ5,长度60~300MM,直径为Φ6,长度70~300MM,直径为Φ8,长度80~338MM。

2、沟槽热管:可生产范围为直径为Φ5,长度60~1000MM,直径为Φ6,长度70~1000MM,直径为Φ8,长度80~2000MM,直径为Φ10、Φ12、Φ16、Φ20等。

3、丝网热管:可生产范围为直径为Φ10,长度300~2000MM,直径为Φ12,长度300~2000MM,直径为Φ16,长度300~2000MM,直径为Φ20等。

小知识:这样的热管才算合格
一根热管的基本结构由容器、毛细结构和动作流体三部分组成。很多人都对热管中装的东西很好奇。那么,热管中装载的到底是什么呢?一般来说,热管中的动作流体需要根据热管所工作的温度区间进行选择。对于PC散热,考虑到成本因素,厂商们一般选择的是纯水和部分添加剂。那么,一般热管要装进多少动作流体呢?动作流体装入量太少,会导致流体无法将毛细结构孔隙填充,造成热管蒸发端局部干燥。而动作流体装入过多,则会引发液体阻塞现象,导致冷凝端无法正常工作。因此,热管的直径、毛细结构孔隙率、热管长度都会直接影响到动作液体的填入量。一般来说,最常用的5mm外口径,3.6mm内径,长度为150mm的铜热管动作液体装填量为0.4毫升。区区0.4毫升的填充液,也使得我们有时候敲开热管之后看不到液体的存在。其实看不到液体也没什么关系,在后面的文章里我们将教给大家一个最简单的热管有效性测试方法。
说完动作液体,咱们来看看热管的毛细结构。毛细结构是一根合格热管产品的核心。它主要有三个作用:一是提供冷凝端液体回流蒸发端的通道,二是提供内壁与液体/蒸气进行热传导的通道,三是提供液气产生毛细压力所必须的孔隙。咱们在电脑上能用到的毛细热管有两种结构:沟槽式和烧结式。沟槽式热管是热管毛细结构中比较制造简单的一种,采用整体成型工艺制造,成本是一般烧结式热管的2/3。沟槽式热管生产方便,但缺点十分明显。沟槽式热管对沟槽深度和宽度要求很高,而且其方向性很强。当热管出现大弯折的时候,沟槽式方向性的特性就成了致命缺点,导致导热性能大幅度下跌。而烧结式热管则生产工艺相对比较复杂,成本也比较高。热管烧结对铜粉质量、纯度,单铜粉颗粒直径、烧结温度、烧结均匀度都提出了很高的要求。因此制造一根优异的烧结式热管并非容易的事情。不同工艺和成本制造的烧结热管,热传导能力也是不一样的,我们将在后面的测试中看到。 最后,我们简单了解一下热管直径和导热量、热阻之间的关系。以热管长度均为150mm计算,经过台湾有关权威机构测试,直径为3mm的热管其热阻值为0.33(测试物体温度变化区间60~90度)。而直径为5mm的时候,热阻立刻降到了0.11,已经可以满足绝大部分场合对导热的要求了。而当热管直径扩大到8mm的时候,热阻竟然达到了0.0625,这是大部分金属材质散热器难以企及的热阻。那么,不同直径的热管,最大导热量区别有多大呢?中国台湾省某研究所给出了一组参考数值。直径为3mm的正品热管,2.8个标准热传递周期中只能传递15W(15焦耳/s)的热量。而直径为5mm的热管,在1.8个热传递周期最大热量传递达到了45W,是3mm热管的3倍!而8mm的热管产品只需0.6个周期就可以传递高达80W的热量。如此高的传热量,如果没有良好的散热片设计和风扇配合,很容易导致热量无法正常发散。

对于安装方法,热管由于针对器件散热的热管制造,大多选用薄壁无氧铜材,常规的壁厚只有0.3mm,因此,热管制成后,基本上不允许焊接,通常采用压接方式,为了接触良好,接触点可涂些导热硅脂等导热材料,对于圆热管,可采用制造基座的方式压接,比如我们制造的四热管散热器底座:

如果考虑到基座的加装对于传导有热阻存在,那么,最好的方式是热管直接与热源接触,那么,可以将圆热管打扁,直接贴到器件发热面上,热管打扁厚度与宽度关系如下:

 

       
热管外径 打扁厚度 打扁宽度   热管外径 打扁厚度 打扁宽度
Φ5 2 6.86 Φ8 4 10.43
Φ5 3 6.29 Φ8 5 9.86
Φ5 4 5.27      
      Φ10 5 13
Φ6 3 7.86 Φ10 6 12.43
Φ6 4 7.29 Φ10 7 11.86
Φ6 5 6.72 Φ10 8 11.29
           
Φ8 4 10.43 Φ12 5 16
Φ8 5 9.86      

 从如上表格可以看出,热管打扁后,会有上下两个平面,而通常,在不影响功率传导的前提下对热管进行打扁操作,打扁后热管的可用平整面宽度,基本上与其直径尺寸相近。

 3.    关于热管的简易测试和使用注意事项

器件散热类的热管测试比较简单,一般在直径 在Φ5~Φ12MM,长度在500mm以内的热管,取一杯饮水器的热水,将热管任意一端放入水中,另一端应该在3~7秒内有热量传到,15秒以上基本达到水杯内热水同样温度,温差不应该大于热管说明书标称。

热管由于是利用相变技术传热,因此必须考虑汽化潜热释放后的工质回流问题,尽管内部虹细结构相对较好的烧结结构可以任意角度使用,但是,在反向应用时,对热管的传热功率和效率,都有很大的损失,因此,建议在设计时,尽量避免热管利用虹吸反向传热,尽量在设计之初就将热源放在下面,以利于热管的充分工作,下面图示几中常用方式的使用建议:

对于热管导热后的散热,本公司专业生产的Φ12毫米的单热管散热器,其结构如下:

 

基管外径 d:12 mm
翅片外径 D:27 mm
基管厚度 S:1.2 mm
基管长度 L1:338 mm
翅片长度 L2:210mm
翅片间距 t:1.8 mm
翅片厚度 Sn:0.3 mm
翅片高度 hf:7mm

Φ12×338  直沟槽热管(镀镍)其传热功率为:56.85W。翅片长度为210mm,根据晨怡热管管翅片换热面积计算软件得出:每米管翅片换热面积为:0.5569m2/m,那么,基管Φ12×338 翅片210MM的散热部分换热面积为:0.5569m2/m×0.21=0.116949m2,参照您散热器件所需要的传热功率和换算出的的应有换热面积,就可以顺利的选择您所需要的热管数量和翅片长度。

责任编辑: banye 参与评论
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