热源面积对VC均热板传热性能影响研究现状

热源面积的变化对应于均热板蒸发区域的大小，不同的蒸发区域，均热板热阻、导热系数等参数会有所差异，针对热源面积对均热板性能的影响，研究者们做了以下研究。 

Wiriyasart等人：

对适用于不同结构高功率电子设备均热板的散热性能进行了实验研究。

通过改变均热板的热源尺寸探究七种不同结构均热板的热阻以及相关参数的变化。

均热板尺寸为100×100×22.5 mm3，实验设置的加热面积分别为20×20 mm2、25×25 mm2、35×35 mm2、40×40 mm2。

结果发现，热源尺寸越大，热流密度越小。

这意味着热阻随着热源尺寸的增大而减小并且随着热源与均热板接触面积的增大，热阻随加热功率改变的变化趋势相似。

Wiriyasart等人[71]还研究了可适用于电脑及其他电子设备的带翅片均热板的扩散热阻、传热和流动特性，实验与仿真相结合，考虑了不同热流密度、加热面积等对性能的影响并将结果进行对比验证。

加热面积分别设置为30×30 mm2、35×35 mm2、40×40 mm2。

结果表明，热源面积越大，均热板总热阻越小，这是因为均热板蒸发端热阻取决于液膜厚度和蒸发区域的大小，随着加热器面积的增加，蒸发区域随之增加，而此处的液膜厚度最薄，因此蒸发端的热阻降低，总热阻减小。 

从物理上讲，液膜表面在工质受热发生蒸发后会下降而形成弯液面，弯液面提供了抽吸液体的毛细力。根据质量平衡分析表明，蒸发端薄膜厚度的斜率与热流密度成比例。较大的热源面积上方的液膜要比较小热源面积上方的液膜薄，这是因为薄膜在较大的加热面积下更发生易凹陷。随着液膜的平均厚度减小，平均蒸发热阻将变小。 

由此可以看出，改变热源的面积对均热板传热性能产生影响的原因同样与均热板内部吸液芯的液膜厚度有关，而不同的充液率的均热板吸液芯的初始液膜厚度不同，改变加热条件对传热能力造成的影响也会有所不同。

然而均热板的热阻并非会随着热源面积的增加而无限减小，Tang等人[69]发现当热源尺寸与冷凝端的面积相同时，热阻达到最小。但随着加热面积的增大，热源面积对热阻的优化程度逐渐降低。当加热面积为2×2 cm2时，均热板的等效热阻仅略高于铜板，但是当热流密度小于15 W/cm2 时，其等效热阻甚至大于铜板热阻。

这说明均热板的热扩散能力未得到充分利用，均热板的散热更适用于集中、高密度热源。Wang等人[73]同样发现，均热板的传热性能是纯铜的几倍，但是当均热板的蒸发端面积过小以及热源加热功率较小时，其传热性能甚至会低于纯铜材料。 

Wiriyasart等人[71]还对均热板在不同热源面积情况下各分量热阻的变化情况进行数值模拟分析。研究发现，随着空气质量流量的增加，对流热阻不断减小。但是，随着空气质量流量增加到0.03 kg/s，对流热阻下降程度明显减缓。此外，不同加热面积下均热板的对流热阻差异很小。由此可见，加热功率和加热面积对均热板总热阻、沸腾热阻和冷凝热阻的变化有显著影响，而对流热阻对空气侧传热系数的变化影响不大，几乎保持不变。 

Wang等人[74]除了均热板热阻外还考虑了连接均热板与外部装置的热界面材料热阻以及底座模具的热阻。热源尺寸分别为5.08×5.08 mm2、10.16×10.16 mm2、20.32×20.32 mm2。通过数值模拟的方法发现，随着热源尺寸的增大，相对于铜板散热，均热板降低热阻的能力并非单调。虽然各分量热阻均随着热源尺寸的减小而增大，但模具的热阻增长速度最快。这说明当热源尺寸减小时，模具逐渐成为散热的瓶颈，单纯改变TIM或散热器显然无法解决散热问题。 

Velardo等人[75]在研究热阻随热源面积变化情况外，还探究了有效导热系数随之变化情况。从仿真和实验的两个角度出发，比较了铜板和均热板两者在不同加热功率以及不同加热面积条件下的热阻以及蒸发区域导热系数。均热板尺寸为123×140×3 mm3，加热面积分别为20×20 mm2、25×25 mm2、30×30 mm2、35×35 mm2。

表1-1为均热板与铜板在不同热源面积下热阻对比。 

由表1-1能够明显看出均热板的热阻低于铜板，均热板对于降低蒸发端的温度的能力也优于铜板，充分说明了均热板性能的优越。但是随着热源面积的减小，相较于铜板，均热板对于热阻的优化能力在减小。通过实验分析发现，有效导热系数与热源尺寸相关的原因在于，均热板内部的传热是通过多种机制进行的，均热板的有效导热系数综合了工质的蒸发相变阻力、蒸气流动阻力和相变冷凝阻力。

通常认为工质的蒸发过程的阻力在总热阻组成中占据主导地位，对传热性能影响较大，减小热源尺寸，相变面积也相应减小，导致热阻增大，然而根据分析得到的结果却不同。均热板蒸发端温度的下降与蒸气压力损失有关。实验发现在给定的热源条件下，随着热源尺寸的减小，均热板的工作温度升高，有利于提高蒸气密度从而降低蒸气压力损失，得到更高的有效导热系数，然而结果却是随着尺寸减小，工作温度升高很小，而且有效导热系数在降低，由此可见，蒸气的流动和工作温度对于有效导热系数的影响很小。 

针对均热板均温性，Hsieh等人[76]通过实验与数值分析相结合的方法，从热源尺寸、加热功率等方面探究了均热板的传热系数、热阻以及表面温度的变化情况。研究发现，蒸发端温度随着热源面积的增加而降低。在较小的热通量情况下，均热板温度分布大致均匀，但是，均热板整体尤其是蒸发端的温差随着热量的增加而增大。 

小编提炼总结：

1 热源尺寸增加，热阻减小

2 热源面积越大，均热板总热阻越小：蒸发端热阻取决于液膜厚度和蒸发区域的大小

3 液膜平均厚度减小，平均蒸发热阻将变小

4 热源尺寸和冷凝端尺寸相同时，热阻最小

5 热流密度小雨15W/cm2时，均热板等效热阻甚至大于铜板；均热板更适用于集中、高密度热源

6 理论上：热源尺寸减小，VC工作温度升高，有利于调整期密度从而降低蒸气压力损失，得到更高的有效导热系数；

   实际上：尺寸减小，工作温度升高很小，且有效导热系数在降低

   ==》蒸汽的流动和工作温度对有效导热系数影响很小