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破除误解——热管知识面面观

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关于热管你不知道的几件事

  泡泡网散热器频道9月19日 如今的现代科技技术日新月异,不断推陈出新,消费者也开始要求终端产品更加美观,更加小巧,更加高性能。因此这也带动了半导体芯片制造工艺的不断升级,核心处理器由65nm缩小至45nm,甚至更小的22nm,使得处理器朝向了多核心发展,以提升处理的性能。

   不过由于在相同体积西容纳更多的晶片,这就会使得单位面积的热通量大大提升,因此即便提高了CPU的工艺,降低的了功耗,但是CPU的发热量依旧很大。而高温也往往是损坏电子器件的主要因素,根据资料介绍,当电子元件温度每上升10℃,其可靠性就会降低一半,而且还会降低芯片的处理性能。

破除误解 关于热管你不知道的几件事

   因此由底座、热管、鳍片以及风扇组成的散热器,成了提供芯片散热主要支持设备。其具体的原理,想必各位在高中物理课上就了解,利用传导、对流和辐射的热量传导特性,为过热的CPU芯片进行有效的散热。

   尽管热管技术的已经非常普遍的应用到各类散热器当中,但是关于热管的导热效率、弯折度、热管尺寸……等等,可能有很多对于散热器产品并不太了解的朋友会感到非常的疑惑。因为,这些关键的往往会关乎到一款散热器的整体品质如何。比如是不是热管越多越好,8mm与6mm热管的导热效率有什么具体的区别,热管到底能挖多少度,等等。所以今天我们就来给大家总结一些有关于热管的相关知识,也有助于各位在散热器选购时,能够得心应手。

沟槽热管并不比烧结热管差

   对于热管的工作原理,其实很简单,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。具体到产品上,受热端就是和散热器底座接触的部分。

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烧结热管

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沟槽热管

   而目前散热器产品的主要应用的热管形式,有烧结和沟槽两种。而目前绝对多数的散热器都会采用烧结式热管,但是这并不意味着沟槽式热管的性能要比烧结式热管性能差,而实际则恰恰相反。

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热管工作原理细节

   两个同尺寸的烧结热管和沟槽热管相比,由于烧结热管内部有大量铜粉进行填充,因此热管的毛细半径小,渗透效率也就变得较低,这也就导致了烧结热管在长度增长时,热管的导热性能会下降很多。而沟槽热管,填充料少,毛细内径大,渗透率也较高,因此在直通状态下,沟槽热管的导热效率要强于烧结热管。

热管弯曲度 秒杀了沟槽热管

   不过目前市场上90%的散热器都在使用“烧结热管”,这又是为什么呢?因为我们使用的散热器热管,都是经过弯折过的,而这是沟槽热管的致命伤,对于沟槽热管来说,由于内部结构的限制,在这方面非常敏感。当沟槽管弯曲90度,导热性能大降,甚至只能达到原来性能的1/2。部分采用沟槽管的散热器甚至将其弯曲180度,那样的效果可想而知了。

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采用12热管 德古拉散热器

   不过这并不是说烧结热管的可以随便弯曲,无所顾忌。任何结构的热管,对弯折次数,和弯曲角度都是非常敏感的,而每次弯曲都会造成热管导热性能的下降。不过,如果尽量保持弯曲部位直径无变化,或者变化很小,可以把性能下降的程度降到最低。

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弯折次数越少 弯折角度越小 性能越好

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热管扁平化 性能会下降很多

   当然对于弯曲变化来说,圆柱形的外壁变成扁平形状,也会大幅降低热传导性能,因为过大的形变会导致热管内部的毛细结构部分中断,这就是为什么绝大多数的笔记本电脑散热性能都非常差的主要因素。

散热性能 并非热管数量取胜

   除了热管的弯曲度,影响热管导热性能的参数就是热管的尺寸,目前主流散热器都会采用6mm或者8mm热管。那么不同直径的热管,导热性能究竟有多大的区别呢?台湾科技大学的一份研究报告中,给出一组数值,我们倒是可以参考一下。

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南海五 5根8mm热管的奢侈配置

   报告中提到,以热管长度均为150mm计算,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电子元件的导热要求。而当热管直径扩大到8mm的时候,热阻则骤降到0.0625,起到热效率,是大部分金属材质散热器难以达到的效果。这也就是为什么一个普通热管的直通条件下的导热效率,是铜导热介质的10倍,

   换个方式来说,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,因此8mm热管的导热效率也是最高的。当然成本也是相对较高的。

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毛细效应

   其实上,热管直径的增大,带来的是热管毛细内径的增加,而毛细渗透率也会相应提高,也就提高了热管的导热效率。但是需要注意的是,并非热管越多,管径越大越好,因为还需要考虑到芯片顶盖,与热管的接触面积,如果热管受热面积不均匀,或者热管的利用率太低,仍然不能有效提散热效果。所以8mm多热管的散热器并不多见(常见的为4个8mm热管,也有8mm+6mm混合配制)。

热管技术瓶颈 需要新的突破

  还需要说明的是,因为沟槽热管的内部填充料较少,因此使得热管内部蒸凝过程受重力影响较大,不如烧结热管那样稳定,这就是为什么沟槽热管综合应用,并没有烧结热管这样广泛。根据之前提到的研究报告中指出,如果沟槽热管在水平角度导热率为34,如果倾斜正负20度角时,导热率会在0至86之间变化,受到重力的影响非常大,导热效率极不稳定。而烧结热管在重力影响方面则要好的多,稳定的多。

   另外,由于沟槽热管的制造成本较低,这样热管也通常用于低端散热器产品上。而在高端产品中,烧结热管仍然是主力,但是为了突破热管导热的技术瓶颈,不少厂商也做了足够的努力。

九州风神GAMER STORM德古拉散热器

充分利用热管的特性

   比如玩家风暴的德古拉散热器,很多玩家都会认为,所谓“12热管”是一种纯扯淡的把戏。但是如果我们通过上面的内容,了解了热管的特性,就会发现,德古拉把减少了烧结热管的长度,减少了热管的弯曲次数和角度,最大限度发挥了热管的导热性能,而实际效果,也非常出色。而这款散热器也就成了一个非常典型的利用热管特性的高性能产品。

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AVC 高效的复合结构热管

   此外,还有一些厂商开始将“复合毛细结构”热管应用到散热器当中,所谓“复合毛细结构”,就是将沟槽热管的高渗透率和烧结热管的高稳定性的特性,相结合烧制的一种热管(AVC的沟槽+铜粉烧结,)。虽然这样的高性能热管早已出现,但是制造成本较高,距离民用,可能还有一定的距离。

   不过对于,我们普通玩家来说,了解了上面所讲述的一些热管特性和知识,对于如何选择一款不错的,或者适合的散热器,应该会有不小的帮助。当然关于一些更特别的热管结构,和均热板的工作原理和知识,我们将在下回给大家做详细的介绍。

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