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热管散热器技术发展与选购

晨怡热管 2008-10-17 1:55:04

个人电脑(PC)开始普及至平常百姓家至今不过十数载,和中央处理器(CPU)共同“出生入死”的CPU散热器也共同发展了十多年。“冷静”和“热情”之间的较量注定有了开始就没有终点。CPU核心频率的高速提升随之带来巨大发热量的难题。



Intel/AMD 处理器功耗发展曲线

近几年我们看到CPU散热器的发展日新月异,先前是以开发散热片的材质为主导,从铝材发展到铝+铜,再到纯铜散热器。当双核CPU、64位CPU时代即将来临的今天,仅靠改善散热片制造原料来提升散热效率遇到瓶颈的时候,各大生产厂家开始以散热方式为技术变革的方向,从风冷到热管,再到水冷。热管、水冷都是未来散热器的主流散热方式,其中又以热管技术一支独秀,倍受关注。所以,今天我们将重点为大家介绍当今热管散热器制造技术的一些技术发展现状。

热管散热器的原理

热管是一种具有极高导热性能的传热元件,1964年发明于美国洛斯-阿洛莫斯国家实验室(Los AlamosNational Laboratory)并在上世纪60年代末达到理论研究高峰于70年代开始在工业领域大量应用。它通过在全封闭真空管内工质的汽、液相变来传递热量,具有极高的导热性,高达纯铜导热能力的上百倍,有“热超导体”之美称。工艺过关、设计出色的热管CPU散热器,将具有普通无热管风冷散热器无法达到的强劲性能。



热管工作状况示意图

PC散热器中应用的热管属常温热管,工艺成熟,热管内工质为水。热管一端为蒸发端,另外一端为冷凝端。当热管一段受热时,毛细管中的液体迅速蒸发,蒸气在微小的压力差下流向另外一端,并且释放出热量,重新凝结成液体。液体再沿多孔材料靠毛细力的作用流回蒸发段,如此循环不止。热量由热管一端传至另外一端,这种循环是快速进行的,热量可以被源源不断地传导开来。

理论上的导热系数优势转化到散热器设计方面,体现在可比同散热水平的全铜质散热片大幅减轻重量、实用型最终成品的效能领先,以及更为灵活的散热区域调整。前两种优势很容易理解,更为灵活的散热区域调整的典型实例是通过热管将CPU热量传递到稍远且不在同一平面上的机箱背部散热片处,由机箱风扇负责将热量带走,成功减少整机风扇数量,使机箱内部空气更加合理顺畅。这种方案在准系统和国外品牌整机中较为常见,由热管以及均质金属传导出来的热量,最终需要和空气进行热交换散发出去,这项工作由大量金属散热片来完成,我们通常形象的称之为“鳍片”。综合材料的密度、热容、延展性等本质特性以及相关成本,金属铝和铜是被广泛应用在PC散热器中制作散热片的材料。铝的密度是2.7g/mm?,热容是900J/kg°C,铜的这两项参数分别为8.9g/mm?和390 J/kg°C,通过这两个参数进行简单计算可以很容易的得出结论:相同质量下铝可以存储更多的热量,而在相同体积的情况下,铜在储热方面占优;另外需要注意的参数是导热系数,对应铝和铜的数值分别为735KJ/(M.H.K)和1386KJ/(M.H.K),这意味着铜材质可以更快的吸收和传导热量。

理解到以上结论对散热片进行分析就会变得容易:在相同的条件下,热容更大的散热片更容易以较低的温度和外界达到热平衡,而导热快的散热片更容易较快的在散热片局部达到热平衡。如果不考虑重量和成本原因,纯铜是理想的散热片材质,在相同散热表面积(通常对应相同体积)下有更大的储热和导热能力;铝则是次而求其次的选择,绝对储热能力不弱,但导热能力稍差。


选购要点一:认清热管类型

常见的热管分为烧结式热管和沟槽式热管。虽然同为热管,但是沟槽管的成本要比烧结管低不少,是低价散热器中常见的热导管。沟槽管的缺点非常明显,就是其指向性非常强,在直线传导的时候,性能和烧结管相当,但是每当沟槽管弯曲90度,导热性能便大大下降,甚至只能达到原来性能的1/2。部分采用沟槽管的散热器甚至将其弯曲180度,那样的效果可想而知了。而烧结管则没有这种问题,虽然弯曲后性能也会有部分下降,但是并不明显。一般高端的热管散热器中可以见到烧结管的身影。



沟槽管内部

我们在选购热管散热器的时候要多加留意。如果价格非常低(双热管或以上)并且弯曲角度很小(最多90度)的,大多数都是采用沟槽管的。多道弯曲的都是采用烧结管(当然并不绝对,但是基本如此),我们在选购时应尽量选购烧结管的散热器。

选购要点二:比较热管和鳍片的结合度

通过一开始对热管散热器的原理介绍,我们知道由于铜的储热能力强,而铝的散热速度快的关系,对于散热鳍片,我们不必过分追求纯铜,而是要注意鳍片和热管的贴合程度,这一点很容易看出厂商的工艺水平的。传统上,热管和散热片之间是通过焊接工艺制造的,这样一来无法避免在焊接过程中产生的气泡和不均匀导致散热效率受损。
值得注意的是,散热器发展的每一次质变都是以增加成本来换取散热效能的提升。少有厂商真正用心去研发和制造一些真正架构更合理,工艺更优秀,成本更低而散热效能更佳的散热产品,令广大普通用户受惠。

不过令我们感到欣慰的是,一线PC散热器大厂富士康在近日发布的热管“冲压铆接”技术,使用这种技术制造的热管散热器最大特点是“成本低,效能高”,将会给广大追求高性价比的用户致命诱惑。

据富士康工程师介绍,“冲压铆接技术”的原理是,将热管的直径做得比铜块上的U型凹槽稍大,在铜块两侧用专用“治具”固定,采用冲压机在顶部冲压,利用冲击力将铜质热管压到与铜块紧密结合,令两者之间结合“天衣无缝”。


 
引发热管散热器新一轮革命的冲压铆接工艺



采用冲压铆接工艺的散热器,铜块与热管的结合处十分紧密,没有缝隙

首先,这种工艺制造的热管散热器带来的最大好处就是:彻底避免了传统焊接技术无法解决的在焊接过程中产生的气泡和不均匀带来的热传到效率低的问题。

以下是某品牌采用传统焊接工艺制造的热管散热器,我们卸掉热管之后,可以清晰地看到传统焊接工艺使用的锡膏而产生的气泡空洞等。



传统的焊接工艺会产生数量不少的气泡

看看这张局部的放大图片就一清二楚了,传统的普通焊接工艺会产生数量不少的气泡,而这些气泡是传统工艺所无法避免的!同时,这些气泡都会导致热管与铜散热片的结合程度疏松,以至于传统的热管散热器热传输效率止步不前。最终,多数厂商的办法就是通过增加热管数量来解决,而这样无疑是增加我们的消费成本。

而根据实验室的比较结果显示,在同等条件下,采用冲压铆接技术制造的铜热管散热器比采用传统工艺制造的热管散热器可以让CPU的温度多下降6度左右!

选购要点三:注重环保,远离有害物质

焊接工艺无法避免使用大量对人体有害的有毒原料,这并不符合即将施行的“无铅化”潮流。这是我们选购需要留意的地方。“冲压铆接技术”给用户带来的第二大好处就是:不需要使用焊接锡膏制造,因此避免了焊接过程中不可避免的各种有毒的重金属污染,令采用这种技术的散热器符合RoHS环保规范,符合时下“无铅化”电子消费品的健康风潮。

综上所述,“冲压铆接技术”制造的热管散热器有着传统焊接工艺制造的热管散热器所无法媲美的优势,但是,此项技术的主要难度在于如何在保证冲压后热管与散热铜块之间紧密结合无缝隙的同时,保证热管不会被冲坏变形。如果没有一流的车床以及先进的模具技术,极有可能弄巧成拙。

而凡事都有两面性,一旦大规模采用成熟的“冲压铆接技术”去制造热管散热器,则会令厂商的制造成本大幅下降,制造速度提升,从而做到性价比更高,在同等价格下能为消费者提供更好的散热表现。集众多好处于一身的“冲压铆接技术”热管散热器必将成为新一代DIYer的首选对象,采用“冲压铆接技术”制造的热管散热器自然也成为众商家追捧的“香饽饽”。富士康作为此项技术的发起者,目前也是唯一采用此项技术的散热器厂商,据透露其成品即将大量上市。
  
热管散热器图赏

散热器厂商Thermalright制造的XP90C热管散热器,采用纯铜散热鳍片+4根L型热管,体积巨大,造型夸张,散热效果强劲,是骨灰级玩家的“梦中情人”。

传统一线散热器大厂富士康推出的这款热管散热器,使用了3根U型热管,虽然没有夸张的造型,没有奢侈的纯铜鳍片,但是得益于先进的设计和优秀的模具,将热管+铝材鳍片的风冷散热效果发挥了极致。同时却保证了较低的制造成本,适合大多数用户选购,是高性价比的典范。

Zalman推出的CNPS 9500使用了三根超大型的8字型热管。在9500诞生之前,厂商都极力避免使热管弯曲,因为弯曲子后,热管的效能会大打折扣,最终会影响散热。不过Zalman成功的解决了这个问题。弯曲的热管均匀的嵌在纯铜打造的散热鳍片之中。风扇安装在散热器内部,CNPS9500的外形设计不是为了追求另类,而是遵循了严格的空气动力学设计,保证通过散热器的气流是在最佳的路径上通过的。

Hyper48也是当年coolmaster砸向市场的另外一颗重磅炸弹。Hyper48的风扇安装在了顶部。Hyper48针对的是对安静有较高要求的用户。所以在材质上Hyper48是一款纯铜+热管的组合,这样可以快速的吸热。Hyper48的绝对实力不强,但是如果综合考虑噪声和性能,它适合绝大部分玩家。

责任编辑: banye 参与评论
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