电子设备用热管
理论：靠潜热输送，靠毛细力回流
概述
笔记本电脑为什么用热管而不是铜板来输送CPU的热量？
薄型设备中传热截面小、距离长。铜在金属中导热很好，但用细棒传输几十瓦，两端仍需几百K温差。热管让内部的水蒸发，以蒸汽形式输送后冷凝，利用潜热大和蒸汽流动快的特点，温差只需几K。但液体回流只靠内壁吸液芯的毛细力，所以传热量有上限，还随方向变化。设计中估算这个上限很重要。
毛细极限
σ为表面张力，r_eff为吸液芯有效孔半径，K为渗透率，A_w为吸液芯截面积，h_fg为汽化潜热，L_eff为有效长度，θ为蒸发段抬高的倾角。忽略蒸汽侧压降。
从太空到桌面
热管原理在1940年代申请了专利，但正式开发是在1960年代由洛斯阿拉莫斯实验室的Grover等人完成。由于在无重力的太空中也能靠毛细力回流液体，被用于人造卫星的温度控制。1990年代笔记本电脑普及后，作为在薄机壳内把CPU热量输送到风扇的部件被大量使用，如今智能手机中也装有薄型均热板。
算例
例1：铜棒与热管（直径6 mm、长200 mm、30 W）
| 项目 | 铜棒 | 热管 |
|---|---|---|
| 热阻 | 17.7 K/W | 0.15 K/W |
| 30 W时温差 | 531 K | 4.5 K |
| 等效导热系数 | 400 W/mK | 约47,000 W/mK |
例2：倾斜与最大传热量（烧结吸液芯）
| 倾角（蒸发段在上为正） | 重力损失 | 最大传热量 | 与水平之比 |
|---|---|---|---|
| −90° | −1,929 Pa | 58.3 W | 173% |
| 0° | 0 Pa | 33.7 W | 100% |
| +15° | 499 Pa | 27.4 W | 81% |
| +30° | 964 Pa | 21.4 W | 64% |
| +60° | 1,670 Pa | 12.5 W | 37% |
| +90° | 1,929 Pa | 9.2 W | 27% |
条件：水60℃（表面张力0.0662 N/m、粘度4.67×10⁻⁴ Pa·s、密度983 kg/m³、潜热2,358 kJ/kg），吸液芯厚0.5 mm（截面积7.7×10⁻⁶ m²），渗透率5×10⁻¹¹ m²，孔半径50 μm（毛细压力2,648 Pa），有效长度0.15 m。
蒸发段在下时，能传输水平时的1.7倍。
仅从毛细极限看是这样，因为重力把液体推回蒸发段。但实际上沸腾极限（蒸发段沸腾过于剧烈）、携带极限（高速蒸汽卷走液体）等其他极限可能先出现，未必能用到这个值。设计中成问题的是反方向：笔记本电脑竖着用，或CPU在风扇上方的布置，性能会大幅下降。孔做细能提高毛细力，但渗透率同时下降、液体难以流动，吸液芯设计就在这种权衡中确定。
设计与分析流程
- 确定传热量和可能的最不利方向（蒸发段在上）。
- 估算毛细、沸腾、携带、声速等极限，取最低者为上限。
- 热分析中把热管建模为高等效导热系数的棒或热阻。
- 考虑弯曲、压扁加工带来的性能下降。
- 改变实机方向测温，确认上限有余量。
“竖着用就发烫的平板”
某平板电脑放在桌上测试没有问题，但用支架竖起长时间播放视频时出现处理速度下降。处理器位于热管上端，竖起后蒸发段高于冷凝段。计算表明此方向最大传热量降到水平时的三成左右，输送不了全部发热。改用细孔吸液芯、并改变热管走向使蒸发段在下方后解决。
常见错误
错误与对策
| 错误 | 后果 | 对策 |
|---|---|---|
| 只按水平评估 | 其他方向性能不足 | 按最不利方向确认 |
| 只看毛细极限 | 超过其他极限 | 取所有极限最小值 |
| 忽略弯曲压扁 | 高估能力 | 用加工后数据 |
| 当作无限大导热 | 漏掉温差 | 计入热阻 |
| 不考虑低温启动 | 冻结、启动不良 | 确认工作温度范围 |
我想了解相关内容。