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熱管散熱技術

任誰都能看出,熱導管(Heat Pipe,或稱:熱管)技術已愈來愈普及運用在資訊產品上,為何過去不用而今日要用?原因無他,CPU、GPU的發熱量愈來愈大,同時礙於產品體積的限制,散熱片的體積不允許隨晶片發熱量的增加而對應增大,甚至還為了短小輕薄的討喜設計而限縮機內可用的空間,反而使散熱片可用的體積不增反減,在體積有限的情況下,又要提高散熱效率,因此必須採行熱導管技術。

 當然!除了熱導管外也有其他的散熱技術,如致冷器(也稱:致冷片、熱電致冷器)、水冷循環等,不過致冷器與水冷循環皆屬主動式散熱(Active Cooling),必須動用額外的電力才能發揮散熱效果,相對的熱導管與散熱片一樣,屬被動性散熱(Passive Cooling),不需要電能也能進行散熱,這對行動用的筆記型電腦,以及今日逐漸講究的節能理念下格外受用。

 

▲圖中為熱導管的結構,左端為受熱端,右端為散熱端,右端散熱端的外部裝有散熱鰭片以加速熱的消散,管壁內則有毛細結構,可加速冷凝後的工作流體快速回流到受熱端,而介於受熱與散熱間的一段則稱為絕熱段。


 再者,水冷系統由於體積較大,因此多只能用在桌上型系統中,且必須是機內空間夠寬裕才能運用,對於準系統、超薄伺服器、刀鋒伺服器而言則難以使用,反之熱導管的體積嬌小,就連筆記型電腦也能使用。

 同樣的,雖然致冷器的體積也很嬌小,但致冷效果的耗用電力相當驚人,此外也有易脆的問題,容易因外力而損毀斷裂,因此也不適合用在電池供電的產品、移動性的產品上。相對的熱導管不用電能,也無易脆問題,加上體積嬌小之故,使其廣受使用。

 在資訊領域中,最先使用熱導管技術的產品為筆記型電腦,筆記型電腦體積小、電能有限、且經常移動使用,然筆記型電腦的處理器也愈來愈熱燙,在散熱片與電動風扇都難以因應的情況下,最先採行熱導管技術,此約是1998年、Mobile PentiumⅡ為開端,如今幾乎每一部筆記型電腦都會使用熱導管技術。

 

▲浩鑫(Shuttle)的準系統桌上型電腦:SN41G2。圖中可見,SN41G2的機內使用4根熱導管為處理器進行散熱,導管受熱端與銅質平板(Copper Base)焊接,銅質平板則與處理器封裝表面接觸,以傳導處理器所發出的熱能,熱導管的另一端則用散熱鰭片與電動風扇來加速散熱,浩鑫稱此為I.C.E.技術。


 進一步的,桌上型電腦的機體也不斷在限縮,但CPU、GPU的發熱度卻不斷上升,因此桌上型電腦成為繼筆記型電腦後,第二個普遍使用熱導管技術的資訊產品,根據統計,平均每一部筆記型電腦會使用上3根的熱導管,而有採用熱導管技術的桌上型電腦,平均也用上2.5根的熱導管。此外工作站、伺服器等其他資訊產品也都將逐步採行。

 另外,現在有愈來愈多的視訊繪圖卡也採行熱導管技術,透過熱導管並搭配散熱片,之後再藉由機內的對流散熱或風扇的助力,使繪圖卡可以做到零風扇的設計,熱導管的另一個好處即是靜音,它與散熱片、致冷器一樣並沒有任何的「動件」,相對的電動風扇、水冷系統就有用上馬達的機械動件,不過水冷系統由於是以密閉方式進行運轉,所以沒有風切的噪音問題,與此相同的還有硬碟,硬碟的馬達也是在密閉環境中運轉,所以噪音可以控制、收斂。

 正因為熱導管技術日益重要,因此本文以下將針對熱導管進行更多的討論與瞭解。

 

▲各種熱導管(Heat Pipe)、熱柱(Heat Column)的應用型態,管徑從3mm~38mm,毛細結構有網目式或燒結(粉末)式,長度從3cm到15cm。


 ■熱導管的散熱原理

 熱導管本身是一個密閉的管狀容器,且一般為「長條管」型態,容器內裝有少許的「液體」,管的內壁運用技術處理使其具有「毛細結構」。

 接著,長條管的一端接近發熱處,使管內的液體受熱,受熱後液體達沸點而汽化、蒸發,蒸發後的氣體朝長管的另一端移動,到達管的另一端後,氣體透過管壁將熱能釋放,釋放熱能的氣體重新回復成液體,液體附著在管壁,而管內壁具有毛細結構,液體運用毛細原理開始往下回流,重新流回長條管的另一端,也就是接近發熱處的位置。如此週而復始,形成一個自然的循環散熱系統。

 更簡單說,管內液體經汽化後蒸發,氣體開始以「對流方式」進行散熱,散熱後氣體凝結成液體,冷凝之後以毛細方式再度回流。若以較嚴謹的方式解釋,接近發熱處、進行導熱效果的一端稱為「受熱端、蒸發區」,而熱消散的另一端稱為「散熱端、冷凝區」,管內的液體稱為「工作流體」。

 

▲熱導管受熱端(段)的近處拍攝,圖中可見受熱端與銅質平板相連(透過焊接),銅質平板部分再與處理器封裝表面接觸傳導熱能,其中封裝與平板間也會使用上熱導膏(或稱:散熱膏)使接觸性熱傳導更快速。

 ■導熱管的屬性、類別

 在基礎原理後,進一步要瞭解更多的技術細節,這包括導管材料的選擇、毛細結構的選擇、工作流體的選擇、管徑決定、管長決定、管壁厚度、毛細結構厚度、蒸發區(或稱:蒸發段)長度、冷凝段長度、介於蒸發與冷凝間的絕熱段長度、以及是否要進行彎管等等。

 先就管材而言,管材的要求取向包括:1.不能與管內的毛細結構、工作流體產生化學作用(運作穩定性)。2.熱傳導率要高、熱阻要低(加速散熱)。3.不容易脆化(以防外力遭致導管斷裂)。4.焊接時有較佳的氣密性(加速導熱、散熱)。以此來看,最合適的管材多半為銅、鋁,目前尤其以銅、無氧銅為大宗。

 接著是毛細結構,事實上熱導管的主要類型區分也在毛細結構,現階段常見的毛細結構有溝槽式、網目式、纖維式、燒結式,其中又以燒結式為最佳,燒結式無論熱導管以何種方位角度放置都可無礙地進行毛細回流,其他的毛細結構則多少仍有導管方位、角度的限制,對行動用產品而言格外重視這項特性。此外,不同的管材也要搭配不同的毛細結構作法,有些管材不能使用燒結方式來實現毛細結構。

 再來是工作流體,也可說是導熱介質或冷媒,工作流體必須考慮它的熱傳量、熱阻性、蒸發溫度與凝結溫度、可用的運作溫度範疇,以及跟哪些管材不會發生化學作用。舉例來說,若以氨(Ammonia)為工作流體,則管材方面就不能選擇用銅,因為兩者會起化學作用。同樣的,選擇甲醇(Methanol)為工作流體,那麼管材就不能用鋁。

 除此之外,工作流體也要能與毛細結構適切搭配,流體的黏滯係數低,則毛細回流的速度快,如此可更快完成循環,可提升散熱效率,另外流體的表面張力大,進而增加毛細作用力,也一樣有助於快速回流。

 值得一提的是,流體注入管內後,為了讓流體有更低的沸點,使其只要稍受些許熱溫就能夠開始進行蒸發,所以多半讓管內以真空、負壓方式進行密閉。就目前而言,熱導管最常用的工作流體為水(Water),至於其他可選且常見的工作流體還有甲醇(Methanol)、乙醇(Ethanol)、丙酮(Acetone)、以及庚烷(Heptane)等。

 要注意的是,水雖是現有最理想的熱導管用流體,但水卻容易與鋁、鐵發生化學反應,所以選擇水為工作流體時,管材方面不能選擇鋁或鐵。

 

▲「熱導管+散熱鰭片+電動風扇」已是常見的處理器散熱作法,圖中可見熱導管將右處平板的熱以彎管方式導往左處的散熱鰭片,而平板與鰭片間的電動風扇則向散熱片吹拂,將熱氣向外吹散

 ■管徑、管長、管厚等選定

 管材、結構、流體選定後,進一步的還要決定管徑、管長、管壁厚度、毛細結構厚度。

 首先是管徑,就理論而言,管徑愈大、管內截面積愈大,熱導管的散熱能力也會愈好,不過通常礙於產品機內體積的限制,使得熱導管的管徑無法過大,以最常運用熱導管的筆記型電腦而言,其管徑多數都在3mm(公釐)以下。而桌上型電腦有較寬裕的空間,通常使用6mm、8mm以上的管徑。。(資料來源:https://www.resheji.com/

 同樣的,管長方面也是愈長愈能增加散熱力,然而此方面也同樣受機內體積而必須有所收斂,有時為了配合機內空間的配置設計,以及盡可能增加管長等因素,會讓熱導管進行角度性的彎管,然而彎管後對氣體的蒸發、液體的回流等也會有速率上的影響,這些都必須加以考慮。

 除了管徑、管長外,管壁厚度也必須考慮,原則上管壁愈薄愈好,愈薄愈有助於熱的傳導,不過管壁畢竟要承受外界的一大氣壓力(1atm)的壓力差,所以也不可能不斷薄化,否則容易導致導管內凹變形(受管外的大氣壓力而造成內壓變形)。

 當然,導管能承受多大的外壓,此與管材有密切關係,不過管材也並非隨時都有一定的強度,溫度一旦升高管材強度也會減弱,這時就必須倚賴較厚的管壁來防制內凹變形,就一般來說,以純銅做為管材,在受熱100℃以下時,建議的管壁厚度必須是管徑的1/79以上,若以前述的管徑3mm為準,則管壁必須厚過0.03797mm才行。

 另外,毛細結構部分除了選擇網目、燒結等各類型結構外,結構本身的厚度也必須權衡,結構上還有粉末,粉末顆粒的粒徑也必須考慮,還有孔隙度、視密度(apparent density)等,也都會影響毛細回流的速率。

 ■熱導作用的變體

 除了熱導管外,以熱導原理進行散熱,或將小面積、高發熱(多指:裸晶)進行快速熱均配化的,還有熱柱(Heat Column)、熱板(Heat Base)等技術,由此可知,熱導管概念的產品在未來仍有極大的運用發揮空間,這對於電子設計人員而言必須要能善選善用,才能使設計的產品更良善、穩定地運作。

 

▲另一款「熱導管+散熱鰭片+電動風扇」的合一性散熱器,此一散熱器運用彎管方式來增加熱導管的整體長度,且散熱鰭片方面用的是與導管一樣的銅質,如此焊接時能有較高的密合,使熱傳導更快速.


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大神点评8

Nidec 2011-5-1 09:03:50 显示全部楼层

多谢多谢 顶一下 !!

动不动 2011-5-1 09:03:51 显示全部楼层

多谢多谢     

最凉 2011-5-1 09:03:51 显示全部楼层



大雨 2011-5-1 09:03:51 显示全部楼层

多谢多谢,但是就是看起来太累

夜光杯 2011-5-1 09:03:51 显示全部楼层

为什么是繁体呢

NMB 2011-5-1 09:03:51 显示全部楼层

顶一下 学习一下,就是字体看的麻烦!!
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