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动力,因我们而不同*

传热基础知识

均热

导热片具备高性价比、高可靠性、高热导率和高效能的优势,几乎不含活动部件。

当热源的热流密度较高(单位面积热流量大),且受空间、能耗、成本等因素制约,二级热交换器本身散热效果不佳时,导热片是一种有效的解决方案。借助导热片,设计人员可以选用风冷二级热交换器,而无需采用液体冷却方案。

大多数导热片为铜质板材,起到热交换器的作用。导热片在热源与(通常为)二级热交换器之间传递热量。热量从热源流经导热片实现“扩散”,从较小的截面积传递至更大的截面积(二级热交换器)。虽然导热片与二级热交换器的热流量相等,但热流密度得到降低,从而更容易通过风冷将热量散出。热流密度降低之后,二次热交换器还可以采用成本更低的材料。
Eaton heat spreading basic image

伊顿提供多种均热技术,可大幅提升整套方案的等效热导率。这些均热技术包括:

热传输

热管

热管可用于在从几英寸(>50 毫米)到超过 3 英尺(> 1 米)的距离范围内传递热量。热管工作时,热源的热量进入热管蒸发器端,使工作流体发生相变,由液体汽化为蒸汽。蒸汽经由热管内部蒸汽腔流向另一端,即冷凝器端,再由散热器或其他二级散热设备带走热量。蒸汽在冷凝器端释放热量,重新凝结为液体,被毛细吸液芯结构吸收。集成到热管内壁的毛细吸液芯结构依靠毛细作用,使热管内部的冷凝液体从冷凝器段回流至蒸发器段。这种热解决方案的传热效率取决于芯体、工作流体、管径、长度、弯折、压扁、安装朝向等因素。

Eaton heat transfer basic
常见的四种商用热管芯体结构包括:内管壁沟槽、丝网、金属烧结粉末和纤维/弹簧结构。不同芯体具备不同的毛细极限(即工作流体依靠毛细泵送作用从冷凝器端流回蒸发器端的速率)。

 

回路热管

回路热管 (LHP) 同样属于两相传热器件,依靠毛细作用把热源热量被动输送至冷凝器或者散热器。LHP 与普通热管原理相近,优势在于可实现长距离可靠输热(最长可达 75 米),并且可以逆重力工况下工作(高 g 环境)。

回路热管仅在蒸发器中设置芯体结构。汽化后的流体与液体相互分离,沿着回路流经冷凝器,再回到蒸发器。伊顿研发并制造多款 LHP,功率覆盖大功率大型 LHP (>2000W) 至微型 LHP (<100W),已在各类航天以及地面应用中获得成功采用。

工作流体、工作温度范围、安装朝向和成型加工

工作流体的类型同样会影响热管性能。热管或回路热管只有在工作流体温度高于冰点时才能正常工作。如果温度高于工作流体的蒸汽冷凝点,蒸汽将无法冷凝变回液态,流体循环停止,从而失去散热能力。工作流体需要根据应用的工作温度范围进行选择。

伊顿设计并开发工作温度范围覆盖深冷到 <-250°C) to high temperature (>2000°C 区间的热管和回路热管。水是最常用的工作流体,热性能优异,工作温度范围为 5 ℃‑250 ℃。

伊顿已设计、开发并制造采用超过 27 种不同工作流体的热管。

热管相对于重力的安装朝向,结合芯体结构,同样对热管性能起到关键作用。例如,沟槽芯体的毛细极限最低,但在重力辅助(蒸发器位于冷凝器下方)条件下工作效果最佳。回路热管对安装朝向不敏感,依靠蒸发器内具备高毛细泵送能力的芯体保障性能。

热管可以做成型加工(压扁或弯折),便于集成到组件当中。热管经过压扁或者弯折之后,最大输热能力会下降。设计时需要考虑如何规避该能力下降带来的限制。

热管应用场景

在工业、电子、航空航天等需要输热的应用,热管和回路热管一般集成于热子系统,将热量从热源输送至远端位置。热管可将热源和热敏元件的热量有效输送至位于别处的翅片组或者散热器。

大功率电力电子冷却器就是一种热解决方案,这类场景往往没有足够的空间,无法在热源紧邻位置安装翅片散热器。改为采用大容量热管,将热量输送到翅片组,依靠强制对流完成散热。该方式可以实现数百瓦的散热量。

热管和回路热管的优势

在热管理解决方案中集成热管和回路热管,可带来多项优势,包括:

  • 等效热导率高 (>5000 W/m•K)
  • 可实现长距离热量传输
  • 可靠性高
  • 无活动部件
  • 性价比高
  • 被动式——不需要活动部件,不存在相关维护难题

此外,热管和回路热管可针对多种外部环境因素进行设计,抵御机械冲击、振动、外力撞击、热冲击/温度循环以及会影响热管寿命的腐蚀环境。

散出热量

设计人员可使用伊顿的热解决方案技术,例如散热器、热管、均热板、回路热管、k-Core®、液冷板和热交换器,将废热散入空气(自然或强制对流)、散入液体(水、乙二醇水溶液、PAO),或是以辐射形式排向太空。

向空气散热

在许多应用中,首选的热管理方式是通过对流向空气散热,电子设备散热领域尤为常见。借助伊顿的散热器、热管组件和导热片技术,从发热器件(例如计算机和数据中心电子系统中的电气元件)吸收废热,经过输运或均热,通过自然对流或者风扇驱动的强制对流,将热量散入环境空气。伊顿远端热管组件、均热板等热管理技术,支持设计人员将高热流密度部件的热量转移到大表面积(通常为板翅或折叠翅片)和低热流密度区域,再向环境空气散热。

向液体散热

军用雷达、电力电子等大热负载应用,通常需要把废热传递至二级系统冷却液(水、乙二醇水溶液、PAO),完成最终散热。采用伊顿的热管式冷板以及普通液冷板,设计人员可将发热器件的热量传递给二级系统的循环冷却液中。

辐射散热

卫星搭载的电子设备越来越多,依靠有限表面积向外排热的技术难度随之增大。伊顿的低温轴向沟槽热管(氨/铝、乙烷/铝)与回路热管技术,可借助散热器面板实现排热。散热器面板在卫星发射时处于收纳状态,卫星入轨之后再展开。我们的低温轴向沟槽热管将卫星电子设备的热量扩散至散热器面板,将废热辐射排向太空。我们的回路热管技术能够传输并排出从数百瓦到超过 2,000 瓦的热负载。欢迎联系我们了解更多信息。