【技术】解析热管7大最常见的误解及相关特性

几十年来，BOYD（Aavid（爱美达）母公司）在许多主要行业领导了卓越热管和两相热管理解决方案的创新，从移动和消费电子产品到NASA应用以及下一代企业和5G设备。Boyd已经观察到许多关于热管的误解，它们是如何工作的，以及如何在与主要市场的工程团队密切合作的同时，在应用中最好地利用它们。本文解决了Boyd在热管利用最佳实践中遇到的关于热管的7大最常见的误解或“神话”。

以及设计两相冷却应用的真相

随着电子产品变得越来越强大，需要更多的功能和可靠性，多余的热量仍然是开发性能更好的下一代应用和突破性创新的重大障碍。每个行业，特别是移动、医疗、电信和物联网，都在开发新产品和系统，这些产品和系统必须轻巧、多功能，并且能够以高可靠性管理高热负荷。工程师们很难有效地处理热量，因为消费者需要更小、更薄、更强大、具有更多选项、功能和功能的设备。

两相冷却正在迅速发展，并在解决这些问题方面越来越受欢迎。热管特别适合散布热量，以实现更快的散热，轻量化，更高的可靠性和使用寿命。但热管最重要的好处是设计灵活性，以及能够轻松地将它们集成到热系统中，从而大大提高冷却效率和容量。

在您的解决方案或系统中添加热管可以大大提高其热性能，从而实现更高效的热管理，而无需添加可能对应用寿命、可靠性或准确性有害的有源元件。

主动风冷或液体冷却可能很大或很麻烦。主动风冷会带来声学、重量和振动等复杂功能。并非所有应用都具有支持液体冷却系统的基础设施。正在利用两相冷却来扩展空气冷却系统性能，解决声学和振动问题，并利用现有的冷却基础设施。

误区1：如果热管破裂，它们会在电子设备上沾上液体。

真相：热管很少（如果有的话）断裂。万一发生破裂，管道中极少量的液体将完全饱和到其灯芯中，并且无法滴落或泄漏到您的电子设备上。

热管本质上是坚固的，是一种纯粹的被动系统，没有任何移动部件会随着时间的推移而磨损。要“打破”制造精良的热管，您需要将管道切开或使管道经过过多的反复弯曲或折叠。

热管在填充时充满真空，确保管道中所含的流体量始终为蒸汽形式，因此不会滴落。

它们的耐用性、更高的可靠性和无泄漏特性使热管成为航空航天、医疗、消费电子、需要高可靠性的高功率应用以及传统液体解决方案泄漏可能具有灾难性影响的市场的理想解决方案。

通过数十年的精炼制造技术和工程规范，Boyd开发了始终如一的坚固，高质量的热管。Boyd热管在热实验室进行测试，利用加速寿命测试中的高温测试以及其他详尽的可靠性和性能测试来证明设计，密封和焊接质量。

误区2：热管很重。

真相：热管可以消除比它们添加到组件中更多的重量。

由于它们通常由铜（一种较重的材料）制成，因此有些人认为集成热管将增加其解决方案的重量。作为热管利用和集成的专家，Boyd工程师经常将它们与其他冷却技术结合使用，以减轻整体解决方案的重量或体积。

虽然它们由铜制成，但热管是空心的，可以减轻解决方案的重量，同时以多种方式提高热性能。热管通常用于将热量传递到设备或组件的较冷，偏远，更开放的区域，以便更好地访问气流和空间，其中可以添加风扇和轻质翅片结构，以减小冷却解决方案的整体尺寸和重量。

另一个常见的例子是用具有嵌入式热管的铝制散热器底座替换传统的铜吊片或更大的散热器。热管的高散热效率均匀、快速地将热量分布在整个散热器上，提高了散热器效率，减小了散热器尺寸和所需材料的数量，从而降低了解决方案的整体重量和成本。

误区3：热管只能与两端的蒸发器和冷凝器配合使用。

真相：热管沿着管道的整个长度运行，并且无论它们沿着管道的位置如何，都会始终如一地将热量从较温暖的区域传递到较冷的区域。

热管通常被设计成热管理组件，以将热量从一端的热源输送到另一端，以安全有效地消散。这种利用很常见，但它不是使用热管的唯一方法。

热管芯吸结构使它们能够在任何方向上工作，并且通常贯穿管道内部的整个长度。热量本质上从热传播到冷，热管也是如此。无论热量沿着管道放置在何处，热量总是会从热源流向冷凝点，然后再次通过灯芯返回。这增加了设计灵活性和热管使用选项，以实现更具创新性和成本效益的热管理。

其中一种利用是嵌入热管来传播热量而不是转移热量。当热管嵌入散热器的底部时，热量沿着热管的整个长度而不是一个固定的区域冷凝。这方面的一个例子是将热管集成到风冷散热器中以扩展高功率性能，从而在冷却高功率IGBT时减少对液体系统的需求。

误区4：热管只在一条直线上传播热量。如果想在整个底座上散布热量，需要一个蒸汽室。

真相：热管可以弯曲并以类似于蒸汽室的方式使用，但具有更高的结构完整性。

当热管最初被引入并开始与其他技术集成时，它们被嵌入直线。为了更均匀地传热，工程师们使用了蒸汽室。蒸汽室虽然对均匀的热扩散有效，但也有其自身的设计挑战，这些挑战可能不适合每种应用。

虽然热管仅沿其轴线移动热量，但该轴可以弯曲或与多个热管一起使用，以有效地充当类似于蒸汽室的平面扩散机制。热管更便宜，提供更高的结构完整性，并且可以设计为模仿蒸汽室的功能和性能。如果正确嵌入，热管可以在蒸汽室过于脆弱的应用中承受大量的安装力。

几十年来，Boyd的工程师们一直在努力完善我们的热管弯曲技术和热管能力，包括开发柔性热管。Boyd已经汇编了数十年的实证测试数据，甚至使大家能够开发专有的建模软件SmartCFD，该软件可以使用弯曲或集成的热管运行更精确的模拟。

误区5：热管必须非常热才能工作。

真相：制造技术使热管即使在温差很小的情况下也能正常工作。

由于热管依赖于蒸发和冷凝来工作，因此人们普遍误解必须有很大的温差或高温才能从使用热管中受益。然而，由于热管在密封之前充满真空，因此流体在其饱和点以液体和蒸汽的形式存在。这在原理上类似于在较低温度下以较低压力在较高海拔下煮沸液体。分子需要的热量要少得多，足以将相从液体变为蒸汽。因此，热源的温度不需要达到标准室温沸点来引起液蒸气相变。事实上，热管的“热”和“冷”区域之间只需要几度的差异就可以使其发挥作用。这是利用热管的主要优势之一，因为它可以最大限度地降低解决方案的热阻。

误区6：热管不能在冷冻条件下使用

事实：热管可以开发为在极端恶劣的条件下运行，例如冻结环境。

热管在环境条件下的运行方式取决于材料和设计。虽然铜/水是最受欢迎的组合;其他材料可根据特殊要求使用。氨，甲醇和丙酮等液体都可以与兼容的金属结合使用，以开发可在低于-60°C的温度下工作的热管。

虽然热管仅沿其轴线移动热量，但该轴可以弯曲或与多个热管一起使用，以有效地充当类似于蒸汽室的平面扩散机制。热管更便宜，提供更高的结构完整性，并且可以设计为模仿蒸汽室的功能和性能。如果正确嵌入，热管可以在蒸汽室过于脆弱的应用中承受大量的安装力。

即使使用铜和水，该解决方案也可以设计为减轻环境条件。通过利用适当的热技术和工艺，具有集成热管的热解决方案可以为电信、国防和运输领域的应用实现冷启动等设备功能。通过正确的设计参数，热管还可以承受大量的重复冻融循环，而不会出现任何故障。

误区7：热管价格昂贵。

真相：添加热管可以降低解决方案成本。

铜的延展性使热管能够经济地制造，可靠地密封，并易于弯曲和压制成特定的几何形状。Boyd拥有完善的制造工艺和热管设计技术，以生产极具成本效益的铜/水高性能热管。热管允许工程师在需要铜翅片底座的应用中使用铝和嵌入式热管，从而降低成本。它们还可以消除对风扇或其他组件的需求，从而节省金钱和重量。

Boyd集成了热管技术，以创建新的解决方案和改造，以提高性能，而不会产生大量的设计返工或系统升级成本。Boyd采用更小、更轻的解决方案，以提高应用效率，降低电力和能源需求及成本。热管的耐用性和可靠性也降低了持续的维护成本和停机时间。

热管的现实-概述

热管组件将被动式两相传热的可靠性与各种其他热管理技术相结合，以产生有效、持久的冷却解决方案。五十多年来，Boyd一直在创新和制造热管解决方案。充足的经验使Boyd能够设计和制造在最苛刻的环境条件下运行的有效且持久的冷却解决方案。

延展性铜壁和灯芯可实现弯曲或压平，以满足应用的热和几何要求。这可用于减小整体尺寸，增加表面接触，或在安装硬件等禁止区域周围布线热管。

热管可以嵌入其他技术中以加快散热速度，或者在系统内利用热管将热量从热源输送到可以安全消散的地方。

热管变化

• 替代材料和流体

允许低温选择，极端温度变化，高温

• 柔性

使用波纹管允许频繁折叠和移动，而不会降低热管性能

• 超薄

靠近平坦的热管，允许极薄的应用。

• 环路热管

长距离输送和控制热量方向，可达23米。

铜水热管的典型参数

• 长度：75毫米~500毫米**

• 直径：3毫米~9.5毫米**

• 材料：高纯铜

• 流体：水**

• 典型非工作温度范围：-55℃至180℃（水）

• 管芯

烧结铜粉

轴向凹槽

铁丝网屏幕

• 最大热通量：>300W/cm²

• 使用寿命：长达20年

** 根据应用用途提供更大的尺寸和不同的工作流体

热管的现实-利用率和效益

被动

热管技术没有运动部件，并按照热力学和毛细管力定律运行，使热管静音，高效且非常可靠，没有内部磨损。这样可以延长产品使用寿命，而不会降低性能，改善声学效果，并且由于温度较低而延长保修期。

高效

热管的导电率为铜、铝和石墨等固体导热材料的10-200倍。它们比固体溶液更快地传递热量，因为流体和蒸汽会移动更多的热量，同时实现更均匀的温度。

由于这些原因，热管通常用于通过将热量从底座快速输送到翅片组中利用率较低的部分来提高散热器翅片效率。这允许在整个散热器上实现最大的翅片效率，并允许使用更薄的翅片。

热管的高效率和功效可实现更低、更稳定的触摸温度。改进的散热性能还提高了用户的安全性和舒适性，并降低了设备持续运行或超过平均使用时间时过热的可能性。这减轻了用户对由于过热甚至着火而导致的设备故障的投诉。它们可以减少或消除风扇的使用，减轻声学和振动问题。

经济高效

更轻的重量、更好的材料使用和更高的性能也节省了成本。更好的冷却允许更小的解决方案和BOM节省，或者为更多组件和附加功能提供更多空间。通过先进的工程和制造设计（DFM）技术（如Boyd使用的技术），可以进一步节省成本。通过有效的热建模、最佳性能测试以及专门设计用于从原型到大批量生产的可扩展制造，可以进一步提高成本节约并将其传递给最终客户。

提高设计灵活性

芯吸结构允许热管在任何方向上运行，包括使用高于冷凝器的蒸发器来对抗重力，并且对大多数应用的性能影响最小。这种能力使它们非常适合需要在各种方向（包括横向，纵向和倒置）下操作的移动，便携式和消费电子产品。

除了多个方向外，热管还为独特和高公差几何形状提供了更大的设计灵活性。它们可以弯曲，压平和布置，以优化传热和流动。利用替代材料可提高定制水平，提供更好的性能和关键的市场差异化。

随着Boyd的不断创新，我们的技术已经发展到充分利用设计和材料，以进一步提高应用性能并优化尺寸和重量。Boyd两阶段创新结合了新的制造工艺和先进的增材制造实践，以进一步提高成本节约，易于制造，设计灵活性和整体热性能。

主要创新包括：

• 达到前所未有的灯芯定制水平，并与高度特定或不同的应用程序和用户要求进行性能匹配。

• 专有方法，以传统方法无法轻松生产或具有所需成本效益水平的方式实现独特而复杂的几何形状

• 先进的制造技术，可在单个工艺中集成多种几何形状和特征，从而缩短制造时间。这样可以节省劳动力和材料成本，并缩短交货时间。

• 对热管理的考虑和优化已成为Boyd许多客户营销新技术的关键卖点。热量是最终用户设备创新的最终障碍之一。

博伊德数十年来的两相冷却创新、集成和大规模生产是这些技术的发展及其在大多数主要行业中的应用不可或缺的一部分。如果您已准备好改进或改造您的冷却解决方案，或者希望为下一代产品应对新的挑战，请联系世强，了解Boyd有关集成两相解决方案、定制和其他可能性的更多信息，以更好地优化冷却。