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散热原理——热管技术

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散热原理——热管技术
    热管这项技术早在1963年就在美国的LosAlamos国家实验室中诞生了,其发明人是G.M.Grover。热管属于一种传热元件,它充分利用了热传导原理与致冷介质的快速热传递性质,通过在全封闭真空管内的液体的蒸发与凝结来传递热量,具有极高的导热性、良好的等温性、冷热两侧的传热面积可任意改变、可远距离传热、可控制温度等一系列优点,并且由热管组成的换热器具有传热效率高、结构紧凑、流体阻损小等优点。其导热能力已远远超过任何已知金属的导热能力。以前热管技术一直被广泛应用在宇航、军工等行业。
正是因为有热管技术的民用化,使得人们改变了传统散热器的设计思路,摆脱了单纯依靠大风量风扇获得更好散热效果的传统散热模式。取而代之的是采用低转速、低风量风扇配合热管技术的崭新散热模式。热管技术更为PC的静音时代带来了契机。
热管技术为什么会有如此的高性能呢?这个问题我们要从热力学的角度看。物体的吸热、放热是相对的,凡是有温度差存在的时候,就必然出现热从高温处向低温处传递的现象。热传递有3种方式:辐射、对流、传导,其中热传导最快


热管就是利用蒸发制冷,使得热管两端温度差很大,使热量快速传导。常见的热管均是由管壳、吸液芯和端盖组成。制作方法是将热管内部抽成负压状态,然后充入适当的液体,这种液体沸点很低,容易挥发。管壁有吸液芯,由毛细多孔材料构成。
热管一端为蒸发端,另外一端为冷凝端。当热管一段受热时,毛细管中的液体迅速蒸发,蒸气在微小的压力差下流向另外一端,并且释放出热量,重新凝结成液体。液体再沿多孔材料靠毛细力的作用流回蒸发段,如此循环不止。热量由热管一端传至另外一端,这种循环是快速进行的,热量可以被源源不断地传导开来。
热管的导热过程具有很高的热传导性能,与金属相比,单位重量的热管可多传递几个数量级的热量,并且具有优良的等温性和热开关性能,特别适用于高精密散热环境。
高速度的热传导效果:
- 重量轻且构造简单。
- 温度分布平均,可作均温或等温动作。
- 热传输量大。热传送距离长。
- 没有主动元件,本身并不耗电。
- 可以在无重力力场的环境下使用。
- 没有热传方向的限制,蒸发端以及凝结端可以互换。
- 容易加工以改变热传输方向。
- 耐用、寿命长、可靠,易存放保管。


热管的制作工艺
看似简单的热管其实对工艺的要求是非常高的,下面让我们来一起看看它的工艺及测试:
- 工作流体选定:非燃性、操作温度、热传量、容许热阻、经济性。
- 容器材料选定:热传导性、真空维持度、耐压、流体相容性(腐蚀、化学反应)。
- 容器及注入加工:长度、去毛边、洗净、封口、保存。泄漏测试就:氦气泄漏探测、高压气泡检查(防止容器出现针孔、裂隙以及氧化)。
- 真空烘烤:高温、真空的环境下对热管组件作毛细表面脱水、脱氧处理。
- 工作流体真空处理:加热驱出(液态)、气态液化(气态)、真空补汞法。注入封口:钨电极纯气熔接(这对于导热管来说,是唯一的防漏封口法)。
- 抽样测试:氧化/腐蚀耐用性测试、最大热传效能测试、最大弯曲/扁平后泄漏测试、最大弯曲/扁平后效能测试、寿命测试。
其他特性限制
在热传输上,热管也有一些限制:
- 黏性限制:低温的蒸气流动黏性力。
- 音速限制:蒸气流达音速的塞流现象。
- 飞散限制:蒸气流速过大,超过液体表面张力,使液滴飞散的剪断力。
- 毛细管限制:流体的流量大于毛细输送能力。此现象易使毛细干燥,烧毁导管。
- 沸腾限制:所有流体都达沸腾汽化时,会降低传热的能力。
热导管的确传热效率会比铜/铝要好N倍,但是其中成功与失败的重要因素就是接口与后端把热带出的部分。 普遍来说,目前都是以铜底板作底中间用锡膏作介质与热导管接触,然后过回焊炉之后,铜底板就会与热导管密合,这边就会成为受热端;而散热端就是另一端以穿鳍片的方式将鳍片固定其上,在配合风扇将热带出鳍片到空气中。
所以这种散热器的要点就是:
1.铜片底板要薄,且底板与热管的密合度要高,以减少CPU CASE到热导管之间的热阻。
2.导管最好设置在CPU DIE位置的上方,以减少CPU CASE到热导管之间的热阻。
3.散热端的鳍片要多,且与热管密合度高,原因也是为了减少热管到空气之间的热阻。
4.风扇吹出的热气一定要快速且有效的带出机壳之外,以免增加整体热阻。
5.风扇入口的空气温度不可太高,以免增加整体热阻

 

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