查看完整版本 : 散熱那些事:你瞭解熱管的工藝嗎?

日日新聞 2023-10-3 19:26

熱管在散熱領域中可謂隨處可見,你瞭解它們的作用嗎?

與一些新人玩家們的認識相反,在散熱系統中,熱管並不起直接散熱作用。它在散熱系統中的的職責是將底座(芯片)的熱量吸收,並快速傳導給負責散熱的鰭片。

用通俗的話說,就是“我們不散去熱,我們只是熱量的搬運工”。

熱管的原理

電腦散熱器所使用的,一般是毛細熱管。

1963年,航天器的散熱需求與日俱增,傳統材料導熱能力此時已不能滿足需求。而當時的“熱管”是藉助重力工作的,在太空中無能為力。

為解決航天器在微重力環境下的散熱問題,NASA同LosAlamos實驗室聯合研發了能在微重力環境下工作的導熱材料——毛細作用熱管。

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毛細作用在生活中相當常見。將細吸管插入水中,我們將會看到吸管中的液麵高於水面,這其中便發生了毛細作用:使管內液麵逆於重力的力量正是毛細力。這正是熱管內冷卻液的迴流原理。

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抽成負壓的銅管中注有特製冷卻液。當有溫度差存在的時候,冷卻液在較熱一端受熱蒸發,內部氣壓的帶動它流到冷端。

冷端裝有散熱裝置,溫度較低,冷卻液凝結放熱,將熱量傳導。此後,冷卻液通過毛細作用,沿熱管壁流回熱端,這種循環是快速進行的,熱量可以被源源不斷地傳導開來。

具體到散熱器上,熱端自然是與芯片緊密接觸的底座,而冷端則是散熱鰭片。

純銅的導熱係數為401W/m.K,鋁則低一些,為217.7W/m.K。而熱管的導熱係數高達1500—50000W/m.K!導熱效率如此強大,還無需重力甚至可以逆重力工作,還有這種好事?!於是乎,隨著芯片發熱的增加,毛細熱管開始大範圍地應用在電腦散熱之中。

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毛細原理是熱管工作的核心,各種工藝的目標便是將毛細力最大化。熱管主要分為三種:較常見的燒結式、成本較低的溝槽式 與 網芯式結構。

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燒結式熱管,應該是大家最熟悉的熱管構造:粉末燒結熱管佔據了近80%的行業份額。顧名思義,這種熱管的毛細結構是由銅粉在高溫下燒結而成的。

一條好的燒結熱管,每個部分的毛細結構滲透率應該儘量相同、燒結塊分佈均勻。銅粉的配比、燒結工藝也將直接決定導熱效果。

正因對微觀結構的極高要求,燒結熱管的製造成本較高、技術含量不低。因此,市場上還有一種成本低廉的替代方案——溝槽熱管。

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溝槽熱管由整體成型工藝製造,無需細密銅粉與燒結過程的它,成本僅為燒結熱管的2/3,佔據行業近20%的份額。

溝槽熱管的一大優點是熱阻較小。由於沒有銅粉填料的阻礙,溝槽熱管的冷卻液滲透率表現更好。熱管長度越長,溝槽式設計的優勢就越明顯。在理想直通條件下,溝槽熱管優於粉末燒結熱管。

但是,溝槽熱管有一個致命的缺點:易受重力影響。溝槽熱管的方向性很強,依靠一條條預先規劃好寬度與深度的溝槽,嚴格限制毛細力的方向。但在實際使用中,熱管往往需要經歷90度、180度乃至迴轉的彎折,散熱器本體也會存在傾斜的情況,這些都是對溝槽熱管的致命打擊。最惡劣的情況下,溝槽熱管的效率甚至不足1/3。

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當然,燒結式熱管的效率同樣會受到彎折的影響。大量的彎折會破壞熱管的毛細結構,使冷卻液迴流受阻。不恰當的彎折還會破壞熱管壁的完整性,使冷卻液揮發、熱管失效。

因此,對於散熱器而言,無論角度與次數,熱管彎折應是越少越好。在選購散熱器時,切忌抱有“多就是好,粗就是強”的想法。熱管的彎折情況、直徑、工藝等都是需要考慮的因素。

絲網熱管靠緊貼管壁的多層絲網提供毛細力。這種工藝的冷卻液迴流阻力大、徑向熱阻大,且工藝重複性差、仍然不耐彎折。

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在散熱器領域,網芯工藝已被溝槽、粉末燒結所取代。

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溝槽熱管的熱阻小,而粉末燒結熱管更耐彎折。有沒有一種工藝,讓我們能夠“我全都要”?將溝槽工藝同粉末燒結相結合的複合熱管應運而生。



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一些風冷廠商已經在嘗試使用溝槽與粉末燒結相結合的複合熱管,這種熱管兼具兩家之長。在九州風神的旗艦塔體阿薩辛III首發時,就曾使用七條複合工藝熱管。

可是,由於技術有待成熟,熱管的性能較不穩定。在實驗性應用了一段時間後,後續批次的阿薩辛 III撤回了這項技術,轉而使用改進的燒結工藝,不得不說是一個遺憾。

相信在不遠的將來,會有更多廠商加入到這種先進熱管的探索中來,以技術層面的改進,為散熱器的發展添磚加瓦。





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