熱管技術熱管散熱技術

熱管技術

熱管又稱“熱超導管”，首先由美國俄亥俄州通用發動機公司的R. S. Gaugler于1944年在美國專利（No. 2350348）中提出，1965年Cotter首次提出了較完整的熱管理論，奠定了熱管研究的理論基礎，也成為熱管性能分析和熱管設計的依據。典型的熱管由管殼、吸液芯和端蓋組成，其基本工作原理圖如圖2.4所示。

液體工質在蒸發段被熱流加熱蒸發，其蒸氣經過絕熱段流向冷凝段，在冷凝段蒸汽被管外冷流體冷卻放出潛熱，凝結為液體，積聚在散熱段吸液芯中的凝結液借助吸液芯的毛細力作用，返回到蒸發段再吸熱蒸發。

熱管工作時具有以下特征：
1.軸向導熱量和對流相比可略去不計。
2.軸向傳熱量大；
3.軸向和徑向的溫度梯度都很小；

熱管散熱器技術原理

普通風冷散熱器已經發展到極限了，要想繼續提高散熱性能只能尋求新的散熱技術。好在業界早已開發出諸如熱管、液冷、半導體制冷等技術。雖然這些技術里不乏高性能得散熱方式，但是最貼合實際應用的還非熱管莫數了。
熱管應用于PC上還是近幾年里的事，真正開始普及也就一年左右。隨著熱管技術的成熟和大規模使用，現在的熱管散熱器已經走下神臺，價格也是一落千丈，從最初的500以上，到現在不足百元的售價，的確讓很多玩家為止欣喜。但是，你知道為什么同樣的熱管散熱器價格會有從幾千元到幾十元這么大的差價么？你知道熱管散熱器里面的各種技術和制造工藝么？下面我就和大家一起探討一下關于熱管散熱器的方方面面。

熱管是一種具有極高導熱性能的傳熱元件，1964年發明于美國洛斯-阿洛莫斯國家實驗室（Los Alamos National Laboratory）并在上世紀60年代末達到理論研究高峰于70年代開始在工業領域大量應用。它通過在全封閉真空管內工質的汽、液相變來傳遞熱量，具有極高的導熱性，高達純銅導熱能力的上百倍，有“熱超導體”之美稱。工藝過關、設計出色的熱管CPU散熱器，將具有普通無熱管風冷散熱器無法達到的強勁性能。

熱管工作狀況示意圖

PC散熱器中應用的熱管屬常溫熱管，工藝成熟，熱管內工質為水。熱管一端為蒸發端，另外一端為冷凝端。當熱管一段受熱時，毛細管中的液體迅速蒸發，蒸氣在微小的壓力差下流向另外一端，并且釋放出熱量，重新凝結成液體。液體再沿多孔材料靠毛細力的作用流回蒸發段，如此循環不止。熱量由熱管一端傳至另外一端，這種循環是快速進行的，熱量可以被源源不斷地傳導開來。

理論上的導熱系數優勢轉化到散熱器設計方面，體現在可比同散熱水平的全銅質散熱片大幅減輕重量、實用型最終成品的效能領先，以及更為靈活的散熱區域調整。前兩種優勢很容易理解，更為靈活的散熱區域調整的典型實例是通過熱管將CPU熱量傳遞到稍遠且不在同一平面上的機箱背部散熱片處，由機箱風扇負責將熱量帶走，成功減少整機風扇數量，使機箱內部空氣更加合理順暢。這種方案在準系統和國外品牌整機中較為常見，如下圖：

更為極端的設計由散熱技術應用先鋒Zalman制成，其CNPS系列概念機箱將整個金屬機箱作為和空氣進行熱交換的換熱器，機箱內部所有需要散熱的元件都使用熱管與機箱壁連接，將發出的熱量及時傳出：

Zalman CNPS機箱內部細節

由熱管以及均質金屬傳導出來的熱量，最終需要和空氣進行熱交換散發出去，這項工作由大量金屬散熱片來完成，我們通常形象的稱之為“鰭片”。綜合材料的密度、熱容、延展性等本質特性以及相關成本，金屬鋁和銅是被廣泛應用在PC散熱器中制作散熱片的材料。鋁的密度是 2.7g/mm³,熱容是900J/kg°C，銅的這兩項參數分別為8.9g/mm³和390 J／kg°C，通過這兩個參數進行簡單計算可以很容易的得出結論：相同質量下鋁可以存儲更多的熱量，而在相同體積的情況下，銅在儲熱方面占優；另外需要注意的參數是導熱系數，對應鋁和銅的數值分別為735KJ/(M.H.K)和1386KJ/(M.H.K)，這意味著銅材質可以更快的吸收和傳導熱量。

理解到以上結論對散熱片進行分析就會變得容易：在相同的條件下，熱容更大的散熱片更容易以較低的溫度和外界達到熱平衡，而導熱快的散熱片更容易較快的在散熱片局部達到熱平衡。如果不考慮重量和成本原因，純銅是理想的散熱片材質，在相同散熱表面積（通常對應相同體積）下有更大的儲熱和導熱能力；鋁則是次而求其次的選擇，絕對儲熱能力不弱，但導熱能力稍差。

通常我們接觸到的熱管散熱器的基本構造由：“儲熱模塊＋導熱模塊＋散熱模塊”組成。儲熱模塊就是我們通常說的散熱器底座。儲熱模塊一般由純鋁或純銅打造。純鋁的模塊有重量輕，成本低，便于加工的優點，但是熱容沒有銅高，對于一些突發熱量非常大且散熱面積小的CPU（比如Socket A接口的Athlon XP）來說，往往效果不理想。純銅的儲熱模塊熱容高，對于高熱量的CPU有較好的突發儲熱能力和較強的熱傳導能力，但是成本較高且分量較重。目前大多數熱管散熱器均使用銅質儲熱模塊。

導熱模塊就是熱管啦。常見的熱管分為燒結式熱管和溝槽式熱管。雖然同為熱管，但是溝槽管的成本要比燒結管低不少，是低價散熱器中常見的熱導管。溝槽管的缺點非常明顯，就是其指向性非常強，在直線傳導的時候，性能和燒結管相當，但是每當溝槽管彎曲90度，導熱性能變大大下降，甚至只能達到原來性能的1/2。部分采用溝槽管的散熱器甚至將其彎曲180度，那樣的效果可想而知了。而燒結管則沒有這種問題，雖然彎曲后性能也會有部分下降，但是并不明顯。一般高端的熱管散熱器中可以見到燒結管的身影。

燒結管內部

溝槽管內部

大家在選購熱管散熱器的時候要多留意了。如果價格非常低（雙熱管或以上）并且彎曲角度很小（最多90 度）的，大多數都是采用溝槽管的。多道彎曲的都是采用燒結管（當然并不絕對，但是基本如此）。選購時盡量選購燒結管的散熱器。
燒結管代表：九州風神SNOWMAN系列
溝槽管代表：散熱小白熱管顯卡散熱器

散熱模塊
散熱模塊一般是由純鋁或純銅打造的非常薄的鰭片，由熱管從中間貫穿而過，把熱管傳導到這些散熱鰭片上，然后靠風扇或機箱內的對流風道來散熱。