热管的出现已经有数十年的历史,而在PC散热领域被广泛采用还是近些年的事,但发展迅猛。小到CPU散热器、显卡散热器,大到机箱,我们都可以看到热管的身影。从使用角度看,热管可以称作热量的超导体,具有热传递速度极快的优点,安装至散热器中可以有效的降低热阻值,增加散热效率。 成品热管 采用热管的散热器比起传统的风冷散热器有成倍的效能提升,打破了风冷极限。热管还可以让散热器设计成任何形状,不必再担心与其他配件发生干涉。热管在热传递上的高效能,也让设计者不必大量采用价格昂贵的铜材,只需轻薄的铝片帖合热管外壁,既能达到理想散热性能。 大量CPU散热器已经采用热管
热管在PC散热器中的应用越来越多,目前各大散热器制造厂出货的CPU散热器中,已经有15%以上的产品采用热管,尤其是在高端产品上几乎无一例外。为了能让用户更熟悉热管,我们总结了一些资料,希望能对热衷技术的读者起到参考作用。 热管原理简介 热管技术的原理其实很简单,就是利用工作流体的蒸发与冷凝来传递热量。将铜管内部抽真空后充入工作流体,流体以蒸发--冷凝的相变过程在内部反复循环,不断将热端的热量传至冷却端,从而形成将热量从管子的一端传至另一端的传热过程。关于热管更深层次的原理,互联网上已经有很多文字介绍,这里我们就不赘述了,感兴趣的读者可以自行查找这方面的资料。本文重点讲述热管工艺与应用方面的知识。 热管原理示意图 目前在世界范围内生产热管的厂商主要有五家,分别为 AVC / 业强 / 古河 / TC / 华科 / 藤仓 ;热管在PC领域的应用以AVC为首,份额约30%。这些企业的热管制造技术都源自日本,本质没有区别。就具体的热管制造工艺来说则比较复杂,需经上百道工序。但随着工业化的发展,热管的批量生成也不是难点,同时价格也越来越低。热管所采用的主要材料,也就是外壁的密封容器,一般有钢、铝、铜,PC用散热器中的热管大部分采用的是铜作为主要材料。PC用散热器的热管规格绝大部分都是直径为6mm的,也有直径8mm产品被采用,但是数量很少液体冷凝的过程会采用到毛细原理,因此毛细结构是一根合格热管产品的核心。它主要有三个作用:一是提供冷凝端液体回流蒸发端的通道,二是提供内壁与液体/蒸气进行热传导的通道,三是提供液气产生毛细压力所必须的孔隙。毛细结构分为四种:丝网、沟槽、粉末烧结与纤维四种。在PC散热器上,大部分都是沟槽与粉末烧结两类结构,POWDER(烧结热管)占80% ;GROOVE(沟槽热管)占20%。
丝网结构 | 纤维结构 |
沟槽结构 | 烧结结构 |
沟槽式热管是热管毛细结构中比较制造简单的一种,采用整体成型工艺制造,成本是一般烧结式热管的2/3。沟槽式热管生产方便,但缺点十分明显。沟槽式热管对沟槽深度和宽度要求很高,而且其方向性很强。当热管出现大弯折的时候,沟槽式方向性的特性就成了致命缺点,导致导热性能大幅度下跌。而烧结式热管则生产工艺相对比较复杂,成本也比较高。热管烧结对铜粉质量、纯度,单铜粉颗粒直径、烧结温度、烧结均匀度都提出了很高的要求。因此制造一根优异的烧结式热管并非容易的事情。不同工艺和成本制造的烧结热管,热传导能力也是不一样的。
目前市面中有些廉价的热管散热器,这其中也包括了某些显卡散热器,虽然采用了热管,但外壁往往用的是铝材,而且内部的毛细工艺也几乎不可能采用粉末烧结工艺,因此性能必然不会像高端热管那样优秀。选购的时候,我们不能对这种产品的散热性能报以过多的希望。
热管成片的长度一般在100mm~300mm,而PC散热器中可能无法用到这么长的热管,这时候就需要将其切断,再将切头封住以让热管重新发挥效能,切断的位置就叫做缩尾。缩尾端都是无法导热的,因此也叫做无效端。
缩尾一 | 缩尾二 |
热管与鳍片最常见的连接工艺就是焊接,界面热阻值较低,但是成本较高。比如铝鳍片与铜热管焊接,则需要先将热管表面电镀镍,方可与铝鳍片焊接到一起。焊接热管的工艺都有一个很明显的特征,就是在热管上方有焊孔。
穿Fin:
穿Fin就是通过机械手段让热管直接穿过鳍片。这种工艺成本很低,工序简单,但是对工艺本身的技术要求较高,否则很容易使热管与鳍片之间的接触不紧密而导致界面热阻过高。合格的穿Fin工艺加工出来的散热器,热管与鳍片截面热阻几乎完全等同于焊接,但成本却能大幅降低。实际上,穿Fin工艺是AVC的专利技术,使得AVC散热器既能有强大的散热性能,还可保持相对低廉的售价。
刚才已经说过,焊接与穿Fin在性能上基本没有差别。但是在成本方面,焊接会比穿Fin高出每热管1美元左右的幅度,所以焊接工艺的热管散热器价格普遍都比较高。用户应根据自身的消费能力确定选购方向。
热管直通的状态下具有最好的热传递效能。但是在实际使用中,热管经常要被弯曲。弯曲后的热传递性能会出现不同程度下降,这也与工艺好坏有密切联系。
热管弯曲有一点必须要注意:在弯曲部位要尽量保持直径无变化,或是变化很小。如果出现严重形变,比如本来圆柱形的外壁变成扁平形状,则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。
其他类型热管
热管不一定非要是管状。笔记本内就有一些是扁平形状热管。根据应用场合的不同,热管也可以被设计成多种形状,这也是热管本身的一个突出优点。
在水冷散热器刚出现的阶段,有些厂商预测未来将是水冷的天下。但是经过了这么长时间,水冷仍然只在少部分玩家中使用,并未跻身主流行列。虽然从散热性能上看还是以水冷占优势,但是它价格偏高,占空间大,且水(或者其它替代液体)会有变质和内部材料氧化的问题。除水冷自身缺点以外,使它衰落的另一个原因则是热管的出现。当热管进入到PC领域后,传热材料的散热技术获取了突破从而令人们放弃了水冷,所以水冷的发挥空间正在逐渐变小,未来将慢慢淡出市场,风冷仍是主要的未来产品。
还有一个重要因素,就是CPU的发热量增加速度已经放缓,预计未来3年内TDP功率超过130W的怪物级PC用CPU不会再出现,而目前的热管风冷技术已经足够满足CPU的散热需求。随着热管产能增加与工艺的成熟,我们预计热管散热器的售价也会进一步下调,从而进入中低端市场,被更多用户选择。
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