你所不知道的热管——热管散热效率研究

　　热管的散热原理：致冷介质的热循环

      热管是1963年美国losalamos国家实验室的g．m．grover发明的一种传热元件，这种技术充分利用了热传导原理与致冷介质的快速热传递性质，透过热管将发热物体的热量迅速传递到热源外，其导热能力超过任何已知金属的导热能力。热管的工作原理很简单，当受热端开始受热的时候，内管壁周围的液体就会瞬间汽化并产生蒸气，此时这部分的压力就会变大，蒸气流在压力的牵引下向冷凝端流动。蒸气流到达冷凝端后冷凝成液体，同时也放出大量的热量，最后借助毛细力回到蒸发受热端完成一次循环。具体到产品上，受热端就是和散热器底座接触的部分，而散热端则和散热鳍片接触。

　　由于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最核心部分。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需的孔隙。而热管毛细结构的构成部分也就成为了我们区分热管类别的唯一标示。

　　两大主流热管形式

      热管的毛细结构分为丝网、沟槽、粉末烧结与纤维四种。在pc用的处理器散热器和显卡散热器上，大部分都是沟槽与烧结两类结构，烧结式热管占了热管产品的80%以上；而沟槽式热管的市场份额则不到20%，这两种热管形式是目前市场上主流的产品。下面我们就来具体谈谈这两种热管的构成和差异。

　　烧结式热管与沟槽式热管

      烧结式热管，其毛细结构是通过高温下铜粉烧结制造而成的。我们最常见的水介质烧结式热管制造流程大致为：选取99.5%纯度的铜粉，铜粉单体粒径控制在75～150微米。使用工具将外径5mm红铜管内部清除干净，将铜管放到稀硫酸中使用超声波清洗。清洗干净后将一根细钢棍插到铜管里，将铜管底部用铜片暂时封闭。接着就可以把纯铜粉倒入铜管了。装填完毕之后就可以拿到烧结炉进行烧结。烧结完成之后使用一个辅助工具把铜管加紧，使用工具把钢棍抽出即可。烧结式热管每个部分的毛细结构渗透率都应该大致相同，铜粉烧结块分布厚度大致均匀，我们也可以通过观察铜粉的均匀程度来判别烧结式热管的优劣。

　　沟槽式热管是热管毛细结构中制造比较简单的一种，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，其特征也非常明显，热管的缺口部分有着明显沟槽状。这种热管对沟槽的宽度和深度都有着严格的要求，而且导热的方向性很强。

　　两种热管导热性分析

     既然市面上的主流热管散热器是沟槽式热管和烧结式热管，那么两者在散热性能上谁更出色呢？从市场反应来看，烧结式热管的数量远远多于沟槽式热管，前者在价格上也要大大高于后者，但实际上，仅从技术分析而言，沟槽式热管的散热性能并不差。两个同尺寸的烧结式热管和沟槽式热管相比，由于烧结式热管内部有大量铜粉进行填充，因此热管的毛细半径小，渗透效率相对较低，这也就导致了烧结式热管在长度增加时热管的导热性能会有一定下降。而沟槽式热管，填充料少，毛细内径大，渗透率也较高，因此在直通状态下，沟槽式热管的导热效率要强于烧结式热管。

　　不过市面上的热管散热器没有一款是直通状态，而这正是影响了沟槽式热管散热性能的关键。之前我们说过，沟槽式热管导热的方向性很强，这意味着当热管出现弯曲的时候，它的导热性能会大幅下降。市面上的散热器热管大多数都弯曲了90度，有的甚至弯曲了180度，在这种情况下，沟槽式热管的性能甚至无法达到直通状态下的1/3，散热效果自然也就不会理想了。

　　当然，即使是烧结式热管，在弯曲后散热性能也会受到影响，只是没有沟槽式热管下滑得这么严重。一般来说，热管弯曲的角度越小，弯曲的次数越少，其散热效果也就越好。此外，另一个影响热管导热性能的是妥协式的工艺设计。我们经常看到热管的两端被压扁，这种扁平化的设计其实也非常影响热管性能，因为这种严重的形变实际上已经破坏了热管的内部结构，使得毛细部分中断，自然性能也会严重下降。下面我们将用实际的测试来告诉大家两种热管在导热性能上的差异。

　　我们如何测试

      我们的测试过程其实很简单，准备一根温度计（本次测试用温度计最大可测试100℃的温度）、一根沟槽式热管以及一根烧结式热管，两根热管长度基本相同。我们的测试分为两步进行。

　　首先我们会测试热管直通状态下的导热性能，我们将温度达到75℃的温开水倒入保温杯中，将两根热管插入水中，在经过相同时间后温度趋于稳定，此时我们分别测试在热管直通的导热下，水温下降了多少。

　　此外，我们还会模拟散热器实际热量传导的工作方式。我们会将两根热管经过二次弯曲加工，然后将热管的两端分别放入两个量杯中，一个量杯装载冷水，一个量杯装载80℃的温开水，在经过相同时间后，我们会测试在不同热管的导热下，原本为80℃的温开水水温下降了多少。在这个测试中，冷水部分代表着散热器中的散热块，而热水部分则可以代表gpu或者cpu，很有实际意义。

　　从测试来看，在热管处于直通状态下，沟槽式热管的性能的确要比同长度的烧结式热管好。而且在测试中，沟槽式热管导热的速度明显要快于烧结式热管，而烧结式热管则要慢一些。原理之前我们已经解释过了，下面我们来看看非直通状态下，两种热管的表现。

　　在模拟散热器实际工作的测试中，可以看到在两次弯曲后，烧结式热管的性能表现要强于沟槽式热管，原本80℃的水温，在烧结式热管导热后迅速降至70℃，而沟槽式热管只能将水温降至75℃。

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