散熱原理——熱管技術(shù)

admin 2011-08-24

散熱原理——熱管技術(shù)
熱管這項(xiàng)技術(shù)早在1963年就在美國的LosAlamos國家實(shí)驗(yàn)室中誕生了，其發(fā)明人是G.M.Grover。熱管屬于一種傳熱元件，它充分利用了熱傳導(dǎo)原理與致冷介質(zhì)的快速熱傳遞性質(zhì)，通過在全封閉真空管內(nèi)的液體的蒸發(fā)與凝結(jié)來傳遞熱量，具有極高的導(dǎo)熱性、良好的等溫性、冷熱兩側(cè)的傳熱面積可任意改變、可遠(yuǎn)距離傳熱、可控制溫度等一系列優(yōu)點(diǎn)，并且由熱管組成的換熱器具有傳熱效率高、結(jié)構(gòu)緊湊、流體阻損小等優(yōu)點(diǎn)。其導(dǎo)熱能力已遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過任何已知金屬的導(dǎo)熱能力。以前熱管技術(shù)一直被廣泛應(yīng)用在宇航、軍工等行業(yè)。
正是因?yàn)橛袩峁芗夹g(shù)的民用化，使得人們改變了傳統(tǒng)散熱器的設(shè)計(jì)思路，擺脫了單純依靠大風(fēng)量風(fēng)扇獲得更好散熱效果的傳統(tǒng)散熱模式。取而代之的是采用低轉(zhuǎn)速、低風(fēng)量風(fēng)扇配合熱管技術(shù)的嶄新散熱模式。熱管技術(shù)更為PC的靜音時(shí)代帶來了契機(jī)。
熱管技術(shù)為什么會(huì)有如此的高性能呢？這個(gè)問題我們要從熱力學(xué)的角度看。物體的吸熱、放熱是相對(duì)的，凡是有溫度差存在的時(shí)候，就必然出現(xiàn)熱從高溫處向低溫處傳遞的現(xiàn)象。熱傳遞有3種方式：輻射、對(duì)流、傳導(dǎo)，其中熱傳導(dǎo)最快。

熱管就是利用蒸發(fā)制冷，使得熱管兩端溫度差很大，使熱量快速傳導(dǎo)。常見的熱管均是由管殼、吸液芯和端蓋組成。制作方法是將熱管內(nèi)部抽成負(fù)壓狀態(tài)，然后充入適當(dāng)?shù)囊后w，這種液體沸點(diǎn)很低，容易揮發(fā)。管壁有吸液芯，由毛細(xì)多孔材料構(gòu)成。
熱管一端為蒸發(fā)端，另外一端為冷凝端。當(dāng)熱管一段受熱時(shí)，毛細(xì)管中的液體迅速蒸發(fā)，蒸氣在微小的壓力差下流向另外一端，并且釋放出熱量，重新凝結(jié)成液體。液體再沿多孔材料靠毛細(xì)力的作用流回蒸發(fā)段，如此循環(huán)不止。熱量由熱管一端傳至另外一端，這種循環(huán)是快速進(jìn)行的，熱量可以被源源不斷地傳導(dǎo)開來。
熱管的導(dǎo)熱過程具有很高的熱傳導(dǎo)性能，與金屬相比，單位重量的熱管可多傳遞幾個(gè)數(shù)量級(jí)的熱量，并且具有優(yōu)良的等溫性和熱開關(guān)性能，特別適用于高精密散熱環(huán)境。
高速度的熱傳導(dǎo)效果：
－重量輕且構(gòu)造簡(jiǎn)單。
－溫度分布平均，可作均溫或等溫動(dòng)作。
－熱傳輸量大。熱傳送距離長。
－沒有主動(dòng)元件，本身并不耗電。
－可以在無重力力場(chǎng)的環(huán)境下使用。
－沒有熱傳方向的限制，蒸發(fā)端以及凝結(jié)端可以互換。
－容易加工以改變熱傳輸方向。
－耐用、壽命長、可靠，易存放保管。

熱管的制作工藝
看似簡(jiǎn)單的熱管其實(shí)對(duì)工藝的要求是非常高的，下面讓我們來一起看看它的工藝及測(cè)試：
－工作流體選定：非燃性、操作溫度、熱傳量、容許熱阻、經(jīng)濟(jì)性。
－容器材料選定：熱傳導(dǎo)性、真空維持度、耐壓、流體相容性（腐蝕、化學(xué)反應(yīng)）。
－容器及注入加工：長度、去毛邊、洗凈、封口、保存。泄漏測(cè)試就：氦氣泄漏探測(cè)、高壓氣泡檢查（防止容器出現(xiàn)針孔、裂隙以及氧化）。
－真空烘烤：高溫、真空的環(huán)境下對(duì)熱管組件作毛細(xì)表面脫水、脫氧處理。
－工作流體真空處理：加熱驅(qū)出（液態(tài)）、氣態(tài)液化（氣態(tài)）、真空補(bǔ)汞法。注入封口：鎢電極純氣熔接（這對(duì)于導(dǎo)熱管來說，是唯一的防漏封口法）。
－抽樣測(cè)試：氧化/腐蝕耐用性測(cè)試、最大熱傳效能測(cè)試、最大彎曲/扁平后泄漏測(cè)試、最大彎曲/扁平后效能測(cè)試、壽命測(cè)試。
其他特性限制
在熱傳輸上，熱管也有一些限制：
－黏性限制：低溫的蒸氣流動(dòng)黏性力。
－音速限制：蒸氣流達(dá)音速的塞流現(xiàn)象。
－飛散限制：蒸氣流速過大，超過液體表面張力，使液滴飛散的剪斷力。
－毛細(xì)管限制：流體的流量大于毛細(xì)輸送能力。此現(xiàn)象易使毛細(xì)干燥，燒毀導(dǎo)管。
－沸騰限制：所有流體都達(dá)沸騰汽化時(shí)，會(huì)降低傳熱的能力。
熱導(dǎo)管的確傳熱效率會(huì)比銅/鋁要好N倍，但是其中成功與失敗的重要因素就是接口與后端把熱帶出的部分。普遍來說，目前都是以銅底板作底中間用錫膏作介質(zhì)與熱導(dǎo)管接觸，然后過回焊爐之后，銅底板就會(huì)與熱導(dǎo)管密合，這邊就會(huì)成為受熱端；而散熱端就是另一端以穿鰭片的方式將鰭片固定其上，在配合風(fēng)扇將熱帶出鰭片到空氣中。
所以這種散熱器的要點(diǎn)就是：
1.銅片底板要薄，且底板與熱管的密合度要高，以減少CPU CASE到熱導(dǎo)管之間的熱阻。
2.導(dǎo)管最好設(shè)置在CPU DIE位置的上方，以減少CPU CASE到熱導(dǎo)管之間的熱阻。
3.散熱端的鰭片要多，且與熱管密合度高，原因也是為了減少熱管到空氣之間的熱阻。
4.風(fēng)扇吹出的熱氣一定要快速且有效的帶出機(jī)殼之外，以免增加整體熱阻。
5.風(fēng)扇入口的空氣溫度不可太高，以免增加整體熱阻