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      怎樣正確使用熱管

      晨怡熱管 2009/7/22 18:58:53

      關于電子元器件散熱類熱管的應用答疑--怎樣使用熱管

      用戶咨詢:

      晨怡熱管你好:

          我公司主要產品從事放大器的設計、制作,長期以來設備使用風冷降溫,對于小功率的散熱效果比較理想,公司現階段要做大功率散熱實驗,了解到貴公司是專門從事熱管散熱,我公司現階段研發的產品功耗約為280W;要求溫升不大于10度。不知能貴公司是否有相應的產品解決此散熱要求?貴公司是否能夠提供相應的熱解決方案?

      另外請教幾個問題:

      1. 電子散熱用熱管,可能達到的最大導熱功率是多少?請介紹一下貴廠產品導熱功率?

      2. 管芯、溝槽、燒結熱管特點,安裝方法(圖形表示好一些);

      3. 怎么從溫度數值反映熱管的工作是否正常?

            致

      禮!
           

      謝謝!

      期待您的回復!

      晨怡熱管答復:

      1、首先確定功率問題,貴公司所開發產品的產品功耗約為280W,是指的是電功率還是熱功率?
      針對電功率和熱功率計算可參考:

      電功率:表示電流做功的快慢.單位時間內電流所做的功叫做電功率.公式為P=W/t=UI

      熱功率:單位時間內導體的發熱功率叫做熱功率,熱功率等于通電導體中電流I的二次方與導體電阻的乘積。
      即P=Q/t=(I2)*R
      [解題過程]
      電功率與熱功率

      (1)區別:電功率是指某段電路的全部電功率,或這段電路上消耗的全部電功率,決定于這段電路兩端電壓和通過的電流強度的乘積;熱功率是指在這段電路上因發熱而消耗的功率.決定于通過這段電路電流強度的平方和這段電路電阻的乘積.

      (2)聯系:對純電阻電路,電功率等于熱功率, P電=P熱;對非純電阻電路,電功率等于熱功率與轉化為除熱能外其他形式的功率之和.

      一般在散熱功率參照上,我們一般把通行半導體功率器件的熱功率,定義為電功率的2~10%,這個是經驗值,僅供參考!

      2、要求溫升不大于10度。
      在此所說的溫升,參考值是什么?
      一般來說,我們生產的散熱類熱管的測試條件是:
      1、環境溫度20℃,測試時間15分鐘
      2、加熱源溫度60℃
      3、恒溫水槽冷卻水水溫30℃
      4、加熱源由功率儀控制輸入功率Qt
      15分鐘內,溫差ΔT≤4℃  (ΔT=T1-T2),且無增大趨勢     Qmax=Qt(W)

      熱管測試原理圖

      熱管測試原理圖

      如上測試,也就是說,熱管在其應用溫度其間內,整條熱管,不會超過4℃的溫差視為合格。可以理解為,合理應用熱管的超導能力,并做好足夠的面積散熱,一般器件表面溫度不會超過環境10℃。這里重要的是,熱管本身不是散熱器件,而是導熱器件,只有散熱做的足夠好,才能達到預期效果,但是,為什么選用熱管作為散熱輔助器件呢?引用『晨怡熱管論壇』網友niko的總結:熱量的急劇上升而又沒有及時帶走從而導致溫度的急劇增加。銅塊或其它高導熱率的金屬等和熱管都能增大散熱面積,卻選用了熱管。其主要原因是熱管能將局部高熱流密度展平,而是熱量不能急劇上升,消去了局部熱點,并通過擴大散熱面積,而增加散熱功率,從而保證電子器件的穩定工作。

      如下對您提問進行說明:
      1.     電子散熱用熱管,所謂的導熱功率只是一個參考值,也就是說,其定義的功率,一般都是首先定義其溫度區間,比如一條器件散熱類熱管,蒸發段溫度定義為60度,冷凝段溫度定義為30度,這時,其導熱功率為30W,那么,兩個數據有任何一個改變,其導熱功率都會受影響,其走向基本是,熱管兩端溫差越大,導熱功率也就越大。
      如下以我公司生產的Φ12×338  直溝槽熱管做一下功率表現說明,僅供參考:

      熱管工藝圖

      熱管工藝圖

      熱管測試圖

      熱管測試圖

      熱管的性能表現曲線圖

      熱管的性能表現曲線圖

       由上圖曲線可見,在在蒸發段選取135MM,冷凝段同樣選取135MM作為測試條件,按標準測試,熱管表現為導熱能力為56.85W。

      2.     針對熱管的內部虹吸結構,本公司網站好多文獻類文章都有提及,在此,再重復一次吧:

      管芯的構造型式大致可分為以下幾類:
          (1)緊貼管壁的單層及多層網芯此類管芯
          多層網的網層之間應盡量緊貼,網與管壁之間亦應貼合良好,網層數有l至4層或更多,各層網的目數可相同或不同.若網層多,則液體流通截面大,阻力小,但徑向熱阻大;用細網時毛細抽吸力大但流動阻力亦增加.如在近壁因數層用粗孔網,表面一層用細孔網,這樣可由表面細孔網提供較大的毛細抽吸壓力,通道內的粗孔網使流動阻力較小,但并不能改善徑向熱膽大的缺點.網芯式結構的管芯可得到較高的毛細力和較告的毛細提升高度,但因滲透率較低,液體回流阻力較大,熱管的軸向傳熱能力受到限制.此外其徑向熱阻較大,工藝重復性差又不能適應管道彎曲的情況,故在細長熱管中逐漸由其它管芯取代。
          (2)燒結粉末管芯  由一定目數的金屬粉末燒結在管內壁面而形成與管壁一體的燒結粉末管芯,也有用金屬絲網燒結在管內壁面上的管芯.此種管芯有較高的毛細抽吸力,并較大地改善了徑向熱阻,克服了網芯工藝重復性差的缺點,但因其滲透率較差,故軸向傳熱能力仍較軸向槽道管芯及干道式管芯的小.
          (3)軸向槽道式管芯  在管殼內壁開軸向細槽以提供毛細壓頭及液體國流通道,槽的截面形狀可為矩形,梯形,圓形及變截面槽道,槽道式管芯雖然毛細壓頭較小,但液體流動阻力甚小,因此可達到較高的軸向傳熱能力,徑向熱阻較小,工藝重復性良好,可獲得精確幼兒何參數,因而可較正確地計算毛細限,此種管子彎曲后性能基本不變,但由于其抗重力工作能力極差,不適于傾斜(熱端在上)工作對于空間的零重力條件則是非常適用的,因此廣泛用于空間飛行器。
          (4)組合管芯  一般管芯往往不能同時兼顧毛細抽吸力及滲透率.為了有高的毛細抽吸力,就要選用更細的網成金屬粉末,但它仍的滲透率較差,組合多層網雖然在這方面有所提高,可是其徑向熱陰大.組合管芯躍能兼顧毛細力和滲透率,從而能獲得高的軸向傳熱能力,而且大多數管芯的徑向熱阻甚小.它基本上把管芯分成兩部分.一部分起毛細抽吸作用,另一部分起液體回流通道作用。

       軸向槽道式管芯

       組合管芯 

       單層及多層網管芯

       燒結粉末管芯

      Axial Groove

      Fine Fiber

      Screen Mesh

      Sintering

       

       

       

       

       

       

       

       

      本公司生產的器件散熱類的熱管,內部虹吸結構主要有三類:

      1、燒結熱管:可生產范圍為直徑為Φ5,長度60~300MM,直徑為Φ6,長度70~300MM,直徑為Φ8,長度80~338MM。

      2、溝槽熱管:可生產范圍為直徑為Φ5,長度60~1000MM,直徑為Φ6,長度70~1000MM,直徑為Φ8,長度80~2000MM,直徑為Φ10、Φ12、Φ16、Φ20等。

      3、絲網熱管:可生產范圍為直徑為Φ10,長度300~2000MM,直徑為Φ12,長度300~2000MM,直徑為Φ16,長度300~2000MM,直徑為Φ20等。

      小知識:這樣的熱管才算合格
      一根熱管的基本結構由容器、毛細結構和動作流體三部分組成。很多人都對熱管中裝的東西很好奇。那么,熱管中裝載的到底是什么呢?一般來說,熱管中的動作流體需要根據熱管所工作的溫度區間進行選擇。對于PC散熱,考慮到成本因素,廠商們一般選擇的是純水和部分添加劑。那么,一般熱管要裝進多少動作流體呢?動作流體裝入量太少,會導致流體無法將毛細結構孔隙填充,造成熱管蒸發端局部干燥。而動作流體裝入過多,則會引發液體阻塞現象,導致冷凝端無法正常工作。因此,熱管的直徑、毛細結構孔隙率、熱管長度都會直接影響到動作液體的填入量。一般來說,最常用的5mm外口徑,3.6mm內徑,長度為150mm的銅熱管動作液體裝填量為0.4毫升。區區0.4毫升的填充液,也使得我們有時候敲開熱管之后看不到液體的存在。其實看不到液體也沒什么關系,在后面的文章里我們將教給大家一個最簡單的熱管有效性測試方法。
      說完動作液體,咱們來看看熱管的毛細結構。毛細結構是一根合格熱管產品的核心。它主要有三個作用:一是提供冷凝端液體回流蒸發端的通道,二是提供內壁與液體/蒸氣進行熱傳導的通道,三是提供液氣產生毛細壓力所必須的孔隙。咱們在電腦上能用到的毛細熱管有兩種結構:溝槽式和燒結式。溝槽式熱管是熱管毛細結構中比較制造簡單的一種,采用整體成型工藝制造,成本是一般燒結式熱管的2/3。溝槽式熱管生產方便,但缺點十分明顯。溝槽式熱管對溝槽深度和寬度要求很高,而且其方向性很強。當熱管出現大彎折的時候,溝槽式方向性的特性就成了致命缺點,導致導熱性能大幅度下跌。而燒結式熱管則生產工藝相對比較復雜,成本也比較高。熱管燒結對銅粉質量、純度,單銅粉顆粒直徑、燒結溫度、燒結均勻度都提出了很高的要求。因此制造一根優異的燒結式熱管并非容易的事情。不同工藝和成本制造的燒結熱管,熱傳導能力也是不一樣的,我們將在后面的測試中看到。 最后,我們簡單了解一下熱管直徑和導熱量、熱阻之間的關系。以熱管長度均為150mm計算,經過臺灣有關權威機構測試,直徑為3mm的熱管其熱阻值為0.33(測試物體溫度變化區間60~90度)。而直徑為5mm的時候,熱阻立刻降到了0.11,已經可以滿足絕大部分場合對導熱的要求了。而當熱管直徑擴大到8mm的時候,熱阻竟然達到了0.0625,這是大部分金屬材質散熱器難以企及的熱阻。那么,不同直徑的熱管,最大導熱量區別有多大呢?中國臺灣省某研究所給出了一組參考數值。直徑為3mm的正品熱管,2.8個標準熱傳遞周期中只能傳遞15W(15焦耳/s)的熱量。而直徑為5mm的熱管,在1.8個熱傳遞周期最大熱量傳遞達到了45W,是3mm熱管的3倍!而8mm的熱管產品只需0.6個周期就可以傳遞高達80W的熱量。如此高的傳熱量,如果沒有良好的散熱片設計和風扇配合,很容易導致熱量無法正常發散。

      對于安裝方法,熱管由于針對器件散熱的熱管制造,大多選用薄壁無氧銅材,常規的壁厚只有0.3mm,因此,熱管制成后,基本上不允許焊接,通常采用壓接方式,為了接觸良好,接觸點可涂些導熱硅脂等導熱材料,對于圓熱管,可采用制造基座的方式壓接,比如我們制造的四熱管散熱器底座:

      如果考慮到基座的加裝對于傳導有熱阻存在,那么,最好的方式是熱管直接與熱源接觸,那么,可以將圓熱管打扁,直接貼到器件發熱面上,熱管打扁厚度與寬度關系如下:

       

             
      熱管外徑 打扁厚度 打扁寬度   熱管外徑 打扁厚度 打扁寬度
      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      

       從如上表格可以看出,熱管打扁后,會有上下兩個平面,而通常,在不影響功率傳導的前提下對熱管進行打扁操作,打扁后熱管的可用平整面寬度,基本上與其直徑尺寸相近。

       3.    關于熱管的簡易測試和使用注意事項

      器件散熱類的熱管測試比較簡單,一般在直徑 在Φ5~Φ12MM,長度在500mm以內的熱管,取一杯飲水器的熱水,將熱管任意一端放入水中,另一端應該在3~7秒內有熱量傳到,15秒以上基本達到水杯內熱水同樣溫度,溫差不應該大于熱管說明書標稱。

      熱管由于是利用相變技術傳熱,因此必須考慮汽化潛熱釋放后的工質回流問題,盡管內部虹細結構相對較好的燒結結構可以任意角度使用,但是,在反向應用時,對熱管的傳熱功率和效率,都有很大的損失,因此,建議在設計時,盡量避免熱管利用虹吸反向傳熱,盡量在設計之初就將熱源放在下面,以利于熱管的充分工作,下面圖示幾中常用方式的使用建議:

      對于熱管導熱后的散熱,本公司專業生產的Φ12毫米的單熱管散熱器,其結構如下:

       

      基管外徑 d:12 mm
      翅片外徑 D:27 mm
      基管厚度 S:1.2 mm
      基管長度 L1:338 mm
      翅片長度 L2:210mm
      翅片間距 t:1.8 mm
      翅片厚度 Sn:0.3 mm
      翅片高度 hf:7mm

      Φ12×338  直溝槽熱管(鍍鎳)其傳熱功率為:56.85W。翅片長度為210mm,根據晨怡熱管管翅片換熱面積計算軟件得出:每米管翅片換熱面積為:0.5569m2/m,那么,基管Φ12×338 翅片210MM的散熱部分換熱面積為:0.5569m2/m×0.21=0.116949m2,參照您散熱器件所需要的傳熱功率和換算出的的應有換熱面積,就可以順利的選擇您所需要的熱管數量和翅片長度。

      責任編輯: banye 參與評論
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