熱管的前世今生

    據(jù)記載，早在1935年通用汽車公司就申請了類似于熱管結(jié)構(gòu)的元件的專利，但熱管在那時只是概念。直到1963年科學(xué)家George M.Grover制造出了人類歷史上第一根熱管，這種效能極高的元件才真正被人們所認(rèn)識。在20世紀(jì)80年代以前，由于制造成本較高，熱管并沒有得到普及。當(dāng)時只有ZF的高科技單位和軍方才買的起熱管，應(yīng)用在人造衛(wèi)星和一些重要部門的高科技儀器設(shè)備上。

    隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展、工業(yè)制造水平的提高，熱管的制造成本得以下降，熱管漸漸滲透到了民用領(lǐng)域。計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展和計算機(jī)設(shè)計的小型化等因素促使了熱管技術(shù)的飛速發(fā)展?？梢赃@么說，計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展是熱管技術(shù)全面普及的催化劑與促進(jìn)劑。前些年只有硬件發(fā)燒友才買的起熱管散熱器，而現(xiàn)在硬件發(fā)燒友多了、整個市場大了，熱管散熱器價格也更貼近大眾了，也就有更多人有機(jī)會享受熱管散熱器帶來的好處。

熱管的工作原理

典型熱管散熱

    上圖為一個典型的三根U型熱管結(jié)構(gòu)的散熱器。顧名思義，熱管是一根管子，內(nèi)部是中空的。熱管里面儲有可以相變的工作介質(zhì)，經(jīng)抽真空后兩頭封口使其密閉。熱管的工作原理是這樣的：開始工作時熱源使得熱管的其中一端受熱，這時熱管就會升溫。由于熱管內(nèi)部是真空的，工作介質(zhì)會在比常壓沸點(diǎn)低的多的溫度下迅速沸騰汽化，這個過程是吸熱的。汽化了的熱蒸氣會以噴射般的狀態(tài)流向低溫低壓的熱管一端。由于另一端溫度比較低，熱蒸氣就會冷凝成液珠吸并附到熱管內(nèi)壁的吸液芯上，液體在重力、離心力、毛細(xì)力的作用下流回到熱管的熱端附近，如此循環(huán)往復(fù)。如果冷端有散熱器設(shè)備的話（如：低溫流體沖刷、接觸低溫儲能固體/液體，或者接觸式的散熱片能夠把熱量散發(fā)到空氣中），熱管一端吸熱另一端放熱整體傳熱的過程就會持續(xù)不斷的進(jìn)行下去。如果冷端不能散發(fā)熱量，則熱管會很快平衡到和發(fā)熱體相同的溫度。熱管的傳熱過程是一個連續(xù)的過程。只要熱管兩端存在溫差，熱管壽命還在，熱管將不知疲倦的工作下去。

熱管傳熱速度

    熱管傳熱速度取決于熱管兩端溫度差，溫度差越大工作介質(zhì)蒸發(fā)冷凝速度越快。在極端的情況下熱管內(nèi)工作介質(zhì)蒸發(fā)速度可以接近音速。這種快速的相變反應(yīng)帶來的傳熱效率比普通的純銅高數(shù)十倍甚至上百倍。因此人們將這種性能極佳的熱管制成了散熱器，應(yīng)用于電子產(chǎn)品的散熱。這種熱管散熱器能夠把發(fā)熱元件產(chǎn)生的熱量快速的傳遞到散熱鰭片上并散發(fā)出去。熱管散熱器最大的優(yōu)點(diǎn)是提高了產(chǎn)品的可設(shè)計性。正是由于這種小體積高效率的導(dǎo)熱元件的存在，才能把散熱系統(tǒng)設(shè)計的更小巧，可以更好的利用空間。

熱管的種類

    隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，熱管種類也在不停的進(jìn)化著。熱管優(yōu)良的可設(shè)計性使得人們可以根據(jù)不同的需求把熱管設(shè)計成不同的長度、直徑、形狀以及內(nèi)部結(jié)構(gòu)。根據(jù)內(nèi)部結(jié)構(gòu)的不同，熱管大致可以分為以下四類。

熱管的大致分類

    在這些結(jié)構(gòu)中間，燒結(jié)式熱管的性能最好。在熱管散熱器剛剛問世的時候，由于溝槽熱管價格比較便宜，燒結(jié)熱管價格比較貴，散熱器制造廠商往往基于成本的考慮選擇前一種熱管。但現(xiàn)在能夠生產(chǎn)熱管的廠商越來越多了，激烈的競爭使得最先進(jìn)最高效能的熱管價格越來越便宜。

燒結(jié)熱管的制造工藝簡介

     現(xiàn)在小體積柱狀熱管應(yīng)用最廣的是燒結(jié)式熱管。前面幾種熱管看圖和看名字就能大致了解到其結(jié)構(gòu)。 ——這里簡單介紹下燒結(jié)熱管的制造工藝過程。制造燒結(jié)熱管需要準(zhǔn)備好兩種材料，其一是銅管——按照客戶需要制造出一定直徑和管壁厚的銅管備用；再有就是預(yù)知銅粉漿——在一定粒徑/目數(shù)的銅粉（或者多種粒徑的銅粉混合物）中加入液體分散劑和穩(wěn)定劑以及抗氧化劑浸潤劑等添加劑，制成類似墻漆涂料的銅粉漿。把銅粉漿灌入到銅管內(nèi)，使得銅粉漿在銅管內(nèi)形成一個涂層，對這個銅管子加熱焙燒或烘烤蒸發(fā)掉銅粉漿中的液體分散劑，制成熱管基材。然后把熱管一端封頭，灌入一定量的工作介質(zhì)后，抽真空密封熱管另一端。經(jīng)過質(zhì)檢合格后一根熱管就出爐了。

燒結(jié)熱管之所以高效的原因

    燒結(jié)熱管的高效主要取決于其管內(nèi)壁的吸液芯的結(jié)構(gòu)，任何熱管內(nèi)壁都有吸液芯，熱管內(nèi)冷凝液回流就主要就靠吸熱芯，熱管的結(jié)構(gòu)區(qū)別也主要看這點(diǎn)。(溝槽熱管靠溝槽增加大氣、液、固的接觸面積）燒結(jié)熱管的內(nèi)壁結(jié)構(gòu)：銅粉在制造過程中被堆砌成了具有一定厚度多孔結(jié)構(gòu)的層狀結(jié)構(gòu)，其中大部分孔是聯(lián)通的，可以像管子一樣導(dǎo)流液體，并且銅粉的傳熱也很快，這些因素造就了燒結(jié)熱管高效的性能。

熱管工作原理解析
 

熱管工作原理的示意

熱管工作工作的動力學(xué)模型

熱管工作的動態(tài)模型

熱管散熱器結(jié)構(gòu)與性能的關(guān)系

    上面簡單介紹了下熱管的知識，大家吃個甜點(diǎn)，下面將進(jìn)入正題。現(xiàn)在市場上散熱器產(chǎn)品種類非常多，性能也有一定的差別。每個廠商都在不遺余力的想辦法改善散熱器的結(jié)構(gòu)：增加散熱器的散熱面積，改善散熱器鰭片的設(shè)計等等。但很少有人注意到散熱器底座——吸熱端的設(shè)計。散熱器是一個整體，就像水桶短板理論一樣，哪里短了都不行。下面我們對吸熱底座進(jìn)行一些分析。

   一般CPU散熱器的吸熱底座設(shè)計結(jié)構(gòu)有：熱管全包式、熱管半包式、單面焊接式，HDT熱管直觸式等等。熱管全包式結(jié)構(gòu)的典型產(chǎn)品是利民 U120-E，熱管被上下包裹在底座里面；熱管半包式結(jié)構(gòu)的典型產(chǎn)品是TT大臺風(fēng)，熱管鑲嵌在一個U形凹槽中，上面一塊板子對熱管加以固定。極凍酷凌一些產(chǎn)品設(shè)計是把一個打扁的熱管鑲嵌到一個長方形凹槽中然后上面焊個蓋子，雖然是上下都包在凹槽內(nèi)，但是熱管與底座的接觸并不是完整一周，所以把他分到熱管半包式里面；單面焊接式結(jié)構(gòu)是把熱管打扁然后焊到一個銅片上，大部分筆記本散熱器的吸熱端都是這樣；而HDT是把熱管鑲嵌到一個半圓形凹槽中，通過機(jī)械加工使熱管的凸出的另半邊成為一個平面，熱管直接接觸CPU。超頻三大多數(shù)熱管散熱器還有其他品牌一些型號散熱器都使用這種結(jié)構(gòu)。HDT技術(shù)使得熱管與CPU直接接觸，看起來應(yīng)該有著很好的導(dǎo)熱能力。事實(shí)是否真的如此？本文將通過分析及實(shí)驗(yàn)來考察采用HDT技術(shù)的散熱器的效能。

HDT式底座與其他吸熱底座的區(qū)別

    市場上有些散熱器外形設(shè)計的非常夸張，但是整體效能卻很一般，這是為什么呢？部分原因是散熱器設(shè)計得不合理，包括原材料的選取和散熱器整體以及細(xì)節(jié)的結(jié)構(gòu)不合理，另外一部分原因就是制造工藝所限。散熱器的設(shè)計是一個整體工程，包括外形結(jié)構(gòu)的設(shè)計、材料的選取、制造工藝的設(shè)計。外形結(jié)構(gòu)設(shè)計很重要因?yàn)樗P(guān)乎空氣動力學(xué)以及鰭片是否能有效的被利用；材料的選取，不同廠生產(chǎn)的板材和熱管性能不一樣；制造工藝的設(shè)計，這個和工廠的產(chǎn)能與所產(chǎn)產(chǎn)品市場定位有關(guān)以及生產(chǎn)成本等因素有關(guān)，因?yàn)樯婕暗臇|西比較多，所以不介紹。在散熱器的設(shè)計過程中常用到的一個詞是熱阻——Thermal Resistance，熱阻是反映阻止熱量傳遞的能力的綜合參量。在傳熱學(xué)的工程應(yīng)用中，為了滿足生產(chǎn)工藝的要求，有時通過減小熱阻以加強(qiáng)傳熱；而有時則通過增大熱阻以抑制熱量的傳遞。一個電路一個電子產(chǎn)品會存在一個電阻，而在散熱領(lǐng)域則是熱阻。

    決定熱阻大小的因素主要有兩個，一方面是材料自身的熱阻，另一方面是材料的結(jié)合處的熱阻。材料本身的熱阻問題好解決，綜合好成本選個熱阻小的材料就行了。說到材料結(jié)合處的熱阻，這里需要引入一個詞：界面，只要不是氣體與氣體，可互溶的液體與液體，所有不同的氣體、液體、固體相結(jié)合都會形成界面。油和水之間的界面，液體浸泡固體的界面等等都是界面的實(shí)例。除了單一材料本身的熱阻以外，還有兩片材料的結(jié)合部會存在熱阻。結(jié)合工藝不同會使熱阻大小不同。一臺普通的熱管散熱器主要分為三部分，吸熱底座、熱管、散熱片，他們之間的結(jié)合部存在熱阻，結(jié)合不好會引起熱阻的累積從而使得散熱器性能變差。散熱器底座附近是整個散熱系統(tǒng)中界面最多的地方，也是熱阻最多的地方，接下來看下這些界面和熱阻都在哪里。

熱量傳導(dǎo)到熱管要經(jīng)過的界面