熱管的散熱原理：致冷介質(zhì)的熱循環(huán)

      熱管是1963年美國losalamos國家實(shí)驗(yàn)室的g．m．grover發(fā)明的一種傳熱元件，這種技術(shù)充分利用了熱傳導(dǎo)原理與致冷介質(zhì)的快速熱傳遞性質(zhì)，透過熱管將發(fā)熱物體的熱量迅速傳遞到熱源外，其導(dǎo)熱能力超過任何已知金屬的導(dǎo)熱能力。熱管的工作原理很簡單，當(dāng)受熱端開始受熱的時(shí)候，內(nèi)管壁周圍的液體就會(huì)瞬間汽化并產(chǎn)生蒸氣，此時(shí)這部分的壓力就會(huì)變大，蒸氣流在壓力的牽引下向冷凝端流動(dòng)。蒸氣流到達(dá)冷凝端后冷凝成液體，同時(shí)也放出大量的熱量， 后借助毛細(xì)力回到蒸發(fā)受熱端完成一次循環(huán)。具體到產(chǎn)品上，受熱端就是和散熱器底座接觸的部分，而散熱端則和散熱鰭片接觸。

　　由于液體冷凝的過程會(huì)采用到毛細(xì)原理，因此毛細(xì)結(jié)構(gòu)是一根合格熱管產(chǎn)品的 核心部分。它主要有三個(gè)作用：一是提供冷凝端液體回流蒸發(fā)端的通道，二是提供內(nèi)壁與液體/蒸氣進(jìn)行熱傳導(dǎo)的通道，三是提供液氣產(chǎn)生毛細(xì)壓力所必需的孔隙。而熱管毛細(xì)結(jié)構(gòu)的構(gòu)成部分也就成為了我們區(qū)分熱管類別的唯一標(biāo)示。

　　兩大主流熱管形式

      熱管的毛細(xì)結(jié)構(gòu)分為絲網(wǎng)、溝槽、粉末燒結(jié)與纖維四種。在pc用的處理器散熱器和顯卡散熱器上，大部分都是溝槽與燒結(jié)兩類結(jié)構(gòu)，燒結(jié)式熱管占了熱管產(chǎn)品的80%以上；而溝槽式熱管的市場(chǎng)份額則不到20%，這兩種熱管形式是目前市場(chǎng)上主流的產(chǎn)品。下面我們就來具體談?wù)勥@兩種熱管的構(gòu)成和差異。

　　燒結(jié)式熱管與溝槽式熱管

      燒結(jié)式熱管，其毛細(xì)結(jié)構(gòu)是通過高溫下銅粉燒結(jié)制造而成的。我們 常見的水介質(zhì)燒結(jié)式熱管制造流程大致為：選取99.5%純度的銅粉，銅粉單體粒徑控制在75～150微米。使用工具將外徑5mm紅銅管內(nèi)部清除干凈，將銅管放到稀硫酸中使用超聲波清洗。清洗干凈后將一根細(xì)鋼棍插到銅管里，將銅管底部用銅片暫時(shí)封閉。接著就可以把純銅粉倒入銅管了。裝填完畢之后就可以拿到燒結(jié)爐進(jìn)行燒結(jié)。燒結(jié)完成之后使用一個(gè)輔助工具把銅管加緊，使用工具把鋼棍抽出即可。燒結(jié)式熱管每個(gè)部分的毛細(xì)結(jié)構(gòu)滲透率都應(yīng)該大致相同，銅粉燒結(jié)塊分布厚度大致均勻，我們也可以通過觀察銅粉的均勻程度來判別燒結(jié)式熱管的優(yōu)劣。

　　溝槽式熱管是熱管毛細(xì)結(jié)構(gòu)中制造比較簡單的一種，采用整體成型工藝制造，成本是一般燒結(jié)式熱管的2/3。溝槽式熱管生產(chǎn)方便，其特征也非常明顯，熱管的缺口部分有著明顯溝槽狀。這種熱管對(duì)溝槽的寬度和深度都有著嚴(yán)格的要求，而且導(dǎo)熱的方向性很強(qiáng)。

　　兩種熱管導(dǎo)熱性分析

     既然市面上的主流熱管散熱器是溝槽式熱管和燒結(jié)式熱管，那么兩者在散熱性能上誰更出色呢？從市場(chǎng)反應(yīng)來看，燒結(jié)式熱管的數(shù)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)多于溝槽式熱管，前者在價(jià)格上也要大大高于后者，但實(shí)際上，僅從技術(shù)分析而言，溝槽式熱管的散熱性能并不差。兩個(gè)同尺寸的燒結(jié)式熱管和溝槽式熱管相比，由于燒結(jié)式熱管內(nèi)部有大量銅粉進(jìn)行填充，因此熱管的毛細(xì)半徑小，滲透效率相對(duì)較低，這也就導(dǎo)致了燒結(jié)式熱管在長度增加時(shí)熱管的導(dǎo)熱性能會(huì)有一定下降。而溝槽式熱管，填充料少，毛細(xì)內(nèi)徑大，滲透率也較高，因此在直通狀態(tài)下，溝槽式熱管的導(dǎo)熱效率要強(qiáng)于燒結(jié)式熱管。

　　不過市面上的熱管散熱器沒有一款是直通狀態(tài)，而這正是影響了溝槽式熱管散熱性能的關(guān)鍵。之前我們說過，溝槽式熱管導(dǎo)熱的方向性很強(qiáng)，這意味著當(dāng)熱管出現(xiàn)彎曲的時(shí)候，它的導(dǎo)熱性能會(huì)大幅下降。市面上的散熱器熱管大多數(shù)都彎曲了90度，有的甚至彎曲了180度，在這種情況下，溝槽式熱管的性能甚至無法達(dá)到直通狀態(tài)下的1/3，散熱效果自然也就不會(huì)理想了。

　　當(dāng)然，即使是燒結(jié)式熱管，在彎曲后散熱性能也會(huì)受到影響，只是沒有溝槽式熱管下滑得這么嚴(yán)重。一般來說，熱管彎曲的角度越小，彎曲的次數(shù)越少，其散熱效果也就越好。此外，另一個(gè)影響熱管導(dǎo)熱性能的是妥協(xié)式的工藝設(shè)計(jì)。我們經(jīng)常看到熱管的兩端被壓扁，這種扁平化的設(shè)計(jì)其實(shí)也非常影響熱管性能，因?yàn)檫@種嚴(yán)重的形變實(shí)際上已經(jīng)破壞了熱管的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，使得毛細(xì)部分中斷，自然性能也會(huì)嚴(yán)重下降。下面我們將用實(shí)際的測(cè)試來告訴大家兩種熱管在導(dǎo)熱性能上的差異。

　　我們?nèi)绾螠y(cè)試

      我們的測(cè)試過程其實(shí)很簡單，準(zhǔn)備一根溫度計(jì)（本次測(cè)試用溫度計(jì) 大可測(cè)試100℃的溫度）、一根溝槽式熱管以及一根燒結(jié)式熱管，兩根熱管長度基本相同。我們的測(cè)試分為兩步進(jìn)行。

　　首先我們會(huì)測(cè)試熱管直通狀態(tài)下的導(dǎo)熱性能，我們將溫度達(dá)到75℃的溫開水倒入保溫杯中，將兩根熱管插入水中，在經(jīng)過相同時(shí)間后溫度趨于穩(wěn)定，此時(shí)我們分別測(cè)試在熱管直通的導(dǎo)熱下，水溫下降了多少。

　　此外，我們還會(huì)模擬散熱器實(shí)際熱量傳導(dǎo)的工作方式。我們會(huì)將兩根熱管經(jīng)過二次彎曲加工，然后將熱管的兩端分別放入兩個(gè)量杯中，一個(gè)量杯裝載冷水，一個(gè)量杯裝載80℃的溫開水，在經(jīng)過相同時(shí)間后，我們會(huì)測(cè)試在不同熱管的導(dǎo)熱下，原本為80℃的溫開水水溫下降了多少。在這個(gè)測(cè)試中，冷水部分代表著散熱器中的散熱塊，而熱水部分則可以代表gpu或者cpu，很有實(shí)際意義。

　　從測(cè)試來看，在熱管處于直通狀態(tài)下，溝槽式熱管的性能的確要比同長度的燒結(jié)式熱管好。而且在測(cè)試中，溝槽式熱管導(dǎo)熱的速度明顯要快于燒結(jié)式熱管，而燒結(jié)式熱管則要慢一些。原理之前我們已經(jīng)解釋過了，下面我們來看看非直通狀態(tài)下，兩種熱管的表現(xiàn)。

　　在模擬散熱器實(shí)際工作的測(cè)試中，可以看到在兩次彎曲后，燒結(jié)式熱管的性能表現(xiàn)要強(qiáng)于溝槽式熱管，原本80℃的水溫，在燒結(jié)式熱管導(dǎo)熱后迅速降至70℃，而溝槽式熱管只能將水溫降至75℃。

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