热管散热简介

笑面虎

水冷散热不能走向主流，除水冷自身缺点以外，另一个主要原因则是热管散热技术的普遍运用。当热管进入到PC领域后，传热材料的散热技术获取了突破从而令人们放弃了水冷。

　　热管散热基础知识

　　热管散热是一种利用相变过程中要吸收/散发热量的性质来进行冷却的技术，1963年由美国Los Alamos国家实验室的G.M.Grover发明，并率先由IBM最初引入笔记本中。虽然热管的出现已经有数十年的历史，而在PC散热领域被广泛采用还是近些年的事，但发展迅猛。小到CPU散热器、显卡散热器，大到机箱，我们都可以看到热管的身影。从使用角度看，热管具有热传递速度极快的优点，安装至散热器中可以有效的降低热阻值，增加散热效率。

　　热管，又称“热之超导体”。其核心作用是导热。它通过在全封闭真空管内工质的汽、液相变来传递热量，具有极高的导热性，高达纯铜导热能力的上百倍。但和世间所有凡物一样，热管个体之间的性能差异也是巨大的。热管的长度、毛细结构、毛细结构做工、填充物体积和配料都会影响到热管的导热量。此外，配合热管使用的散热片面积和与热管间的嵌套工艺将直接影响到整个散热器的散热效果。因此，并不是所有的热管散热器都能给你的CPU带来清凉。
　
　　从技术角度看，热管的核心作用提高热传递的效率，将热量快速从热源带离，而非一般意义上所说的“散热”——这则涵括与外界环境进行热交换的过程。热管的动作温度范围十分宽广。从零下200度 ～1000度均可使用热管导热。热管的工作原理很简单，热管分为蒸发受热端和冷凝端两部分（具体到产品上，受热端就是和散热器底座接触的部分）。当受热端 开始受热的时候，管壁周围的液体就会瞬间汽化，产生蒸气，此时这部分的压力就会变大，蒸气流在压力的牵引下向冷凝端流动。蒸气流到达冷凝端后冷凝成液体， 同时也放出大量的热量，最后借助毛细力回到蒸发受热端完成一次循环。

　　热管散热的适用范围
　　1、在热源附近缺乏散热空间
　　2、需要从多个热源处进行有效的散热
　　3、在密闭的空间内进行散热
　　4、短时间大量散热
　　5、具有活动的部件
　　6、要求体积小并且质量轻的设备

　　热管散热的原理

　　热管技术的原理其实很简单，就是利用工作流体的蒸发与冷凝来传递热量。将铜管内部抽真空后充入工作流体，流体以蒸发--冷凝的相变过程在内部反复循环，不断将热端的热量传至冷却端，从而形成将热量从管子的一端传至另一端的传热过程。

　　典型的热管是由管壳、吸液芯和端盖组成，将管内抽到的负压后充以适量的工作液体，使紧贴管内壁的吸液芯毛细多孔材料中充满液体后加以密封。管的一端为蒸发段（加热段），另一端为冷凝段（冷却段），根据需要可以在两段中间布置绝热段。当热管的一端受热时，毛细芯中的液体蒸发汽化，蒸汽在微小的压差 下流向另一端放出热量凝结成液体，液体再沿多孔材料靠毛细力的作用流回蒸发段。如此循环不已，热量由热管的一端传至另一端。

　　热管散热技术解析

　　采用热管的散热器比起传统的风冷散热器有成倍的效能提升，打破了风冷极限。热管还可以让散热器设计成任何形状，不必再担心与其他配件发生干涉。热管在热传递上的高效能，也让设计者不必大量采用价格昂贵的铜材，只需轻薄的铝片帖合热管外壁，既能达到理想散热性能。

　　一根热管的基本结构由容器、毛细结构和动作流体三部分组成。很多人都对热管中装的东西很好奇。那么，热管中装载的到底是什么呢？一般来说，热管中的动作流体需要根据热管所工作的温度区间进行选择。对于PC散热，考虑到成本因素，厂商们一般选择的是纯水和部分添加剂。

　　那么，一般热管要装进多少动作流体呢？动作流体装入量太少，会导致流体无法将毛细结构孔隙填充，造成热管蒸发端局部干燥。而动作流体装入过多，则会引发液体阻塞现象，导致冷凝端无法正常工作。因此，热管的直径、毛细结构孔隙率、热管长度都会直接影响到动作液体的填入量。一般来说，最常用的5mm外口径，3.6mm内径，长度为150mm的 铜热管动作液体装填量为0.4毫升。

　　液体冷凝的过程会采用到毛细原理，因此毛细结构是一根合格热管产品的核心。它主要有三个作用：一是提供冷凝端液体回流蒸发端的通道，二是提供内壁与液 体/蒸气进行热传导的通道，三是提供液气产生毛细压力所必须的孔隙。

　　毛细结构是一根合格热管产品的核心。它主要有三个作用：一是提供冷凝端液体回流蒸发端的通道，二是提供内壁与液体/蒸气进行热传导的通道，三是提供液气产生毛细压力所必须的孔隙。

　　一般而言，热管的毛细结构分为四种：丝网、沟槽、粉末烧结与纤维四种，我们在PC散热领域常见的毛细热管主要有两种结构：沟槽式和烧结式。沟槽式热管是热管毛细结构中比较制造简单的一种，采用整体成型工艺制造，成本是一般烧结式热管的2/3。沟槽式热管生产方便，但缺点十分明显。沟槽式热管对沟槽深度和宽度要求很高，而且其方向性很强。当热管出现大弯折的时候，沟槽式方向性的特性就成了致命缺点，导致导热性能大幅度下跌。而烧结式热管则生产工艺相对比较复杂，成本也比较高。热管烧结对铜粉质量、纯度，单铜粉颗粒直径、烧结温度、烧结均匀度都提出了很高的要求。因此制造一根优异的烧结式热管并非容易的事情。不同工艺和成本制造的烧结热管，热传导能力也是不一样的。

　　最后，我们简单了解一下热管直径和导热量、热阻之间的关系。以热管长度均为150mm计算，经过台湾有关权威机构测试，直径为3mm的热管其热阻值为 0.33（测试物体温度变化区间60～90度）。而直径为5mm的时候，热阻立刻降到了0.11，已经可以满足绝大部分场合对导热的要求了。而当热管直径 扩大到8mm的时候，热阻竟然达到了0.0625，这是大部分金属材质散热器难以企及的热阻。

　　那么，不同直径的热管，最大导热量区别有多大呢？台湾某研究所给出了一组参考数值。直径为3mm的正品热管，2.8个标准热传递周期中只能传递15W（15焦耳/s）的热量。而直径为5mm的热管，在1.8 个热传递周期最大热量传递达到了45W，是3mm热管的3倍！而8mm的热管产品只需0.6个周期就可以传递高达80W的热量。如此高的传热量，如果没有良好的散热片设计和风扇配合，很容易导致热量无法正常发散。而华硕狮子王正是采用了8mm直径热管设计，能够有效提升30%的散热效能。