均温板正成为电子设备越来越普遍的热解决方案。它们可以在一系列的系统中找到，从手机到高功率的笔记本电脑和视频游戏机。在这篇博客中，我们将发现究竟什么是均温板;学习如何使用Simcenter Flotherm XT为它们建模;并分析与传统散热器相比，均温板的传热优势。
什么是均温板?
一个典型的均温板由一个空心的铜外壳组成，里面充满了少量的液态水。然后该室被真空密封，低于大气压;允许液态水在低于100℃的温度下蒸发(蒸气)。
均温板的典型结构
均温板的工作原理与典型的热管相同。它依靠水的蒸发和凝结循环，将热量从室的热侧转移到冷侧。然后，内芯作为一个载体，利用毛细作用使冷凝的液态水流回蒸发侧。然后，这个循环可以再次开始。
均温板的工作循环
均温板可以单独作为一种散热解决方案来传热和散热。这在一些空间有限的手机中经常看到。然而，当需要更大的冷却效率时，均温板也可以连接到传统散热器的底座上。
均温板是否比热管更好?
尽管均温板和热管的工作循环相似，但冷却解决方案的选择将取决于应用。例如，均温板能非常有效地将热量均匀地横向扩散到一个表面。相比之下，热管擅长将热量从一个地方转移到另一个地方。
均温板vs 热管
均温板的扁平形状也意味着它们可以更好地与IC芯片的表面接触，或与连接的散热器的底部接触，以创造一个更直接的热传递路径。这与热管的圆柱形形状形成鲜明对比，后者使其无法直接连接到一个部件上。相反，它们需要额外的连接部件或修改，然后热量才能到达热管。
现代制造业可以生产薄至2.5毫米的均温板。这使得它们在紧凑的电子设备中非常有用，如手机或均温板笔记本电脑。此外，其薄的形状意味着它们受方向的影响较小，不像传统的热管，重力方向会影响其冷却效率。
为了直观地了解均温板的传热优势，让我们使用Simcenter Flotherm XT进行一些CFD分析。
均温板建模
让我们从一个典型的高功率视频游戏机的模型开始。大部分的热量输出来自于主要的SoC，产生100瓦的热耗。我们将比较SoC的温度与2个不同的附加散热器。首先是一个标准的铜基散热器，然后是一个均温板散热器。两者的尺寸相同，并附有铝翅片。
用于比较散热器的模型
对均温板进行直接的建模并不是一项简单的工作。它需要大量的计算时间(和工程师的时间)来模拟其工作的蒸发和冷凝循环。正因为如此，创建一个简化的模型往往更快、更方便，这将近似于我们所需的均温板特性。
我们将采用上述模型中的标准散热器，并将铜板修改为代表均温板的固体传导层的夹层:
截面图显示了用于表示均温板的固体材料层，均温板与铝质散热器翅片相连
我们现在可以对新添加的铜芯层和蒸气层采用有效的热导率。我们将使用最接近运行状态下的均温板的数值:
铜芯=40 W/(m K)
蒸汽层=30 000 W/(m K)
你可能会注意到水蒸气的有效热导率非常高。这让我们对我们的均温板的冷却性能类型有了一些了解!
CFD 分析
该模型首先使用标准的铜基板散热器进行求解。然后用均温板散热器进行第二次求解。通过该设备的强制气流模式可以在下面看到:
通过在纵轴上生成温度平面图，我们可以看一下使用标准铜基板散热器的SoC温度:
标准铜基板散热片
SoC的温度达到89℃，热量积累集中在散热器的中间。请注意，从中心到铜底座的外缘出现了10℃的ΔT。这表明，热量无法有效地到达连接的铝制散热器的最外层。因此，这导致了对铝鳍片之间流动的周围空气的低效率。
现在让我们来看看使用均温板散热器的SoC温度:
均温板散热器
这个平面图显示，与铜基散热器相比，SoC的温度下降了5°C，这是一个很好的改进!此外，均温板从中心到外缘的ΔT只有3℃。这表明SoC热量的横向扩散更加均匀和完善–这是使用均温板的一个普遍好处!
由于横向热传递的改善，均温板使热量更均匀地流过所接触的铝散热翅片的大部分。因此，这可以更好地利用流过所有鳍片的空气总量。这与铜基板散热器形成鲜明对比，后者只有效地利用了中间翅片和中央气流。
结论
现代电子设备需要比以往任何时候都更先进的冷却技术，而均温板可以成为一种出色的热解决方案。使用Simcenter Flotherm XT，我们直观地展示了均温板的散热优势;显示了它们如何能够提供更好的冷却效率，并比相同大小的传统散热器具有更好的横向热传递。