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用热管=增强散热?深度分析热管原理

晨怡热管 2009-9-2 0:07:39
热管引争议!原理细分析

    为解决高发热量问题,电脑散热器近年来可谓是日新月异。热管、液态金属、回流焊接、线切割等各种高科技材料的应用以及堪比工艺品的制造工艺,如今都体现在了电脑散热器上。

    其中,热管的应用更是成为了如今高性能散热器的代名词之一。热管是一种导热性能极高的被动传热元件。热管利用相变原理和毛细作用,使得它本身的热传递效率比同样材质的纯铜高出几百倍到数千倍。热管是一根真空的铜管,里面所注的工作液体是热传递的媒介。在电子散热领域里,最典型的工作液体就是纯净水。使用圆柱形铜管制成的热管是最为常见的。热管壁上有吸液芯结构。依靠吸液芯产生的毛细力,使冷凝液体从冷凝端回到蒸发端。因为热管内部抽成真空以后,在封口之前再注入液体,所以,热管内部的压力是由工作液体蒸发后的蒸汽压力决定的。只要加热热管表面,工作液体就会蒸发。蒸发端蒸汽的温度和压力都稍稍高于热管的其它部分,因此,热管内产生了压力差,促使蒸汽流向热管内较冷的一端。当蒸汽在热管壁上冷凝的时候,蒸汽放出汽化潜热,从而将热传向了冷凝端。之后,热管的吸液芯结构使冷凝后液体再回到蒸发端。只要有热源加热,这一过程就会循环进行。

    通过原理介绍,我们可以看出热管并不具备任何散热作用而仅仅具备导热的作用而已。要想将热管导出的热量尽快排出,散热器上还必须设计有大面积散热鳍片以及设计有良好的散热性能。

    近期看到论坛上关于热管散热器争论颇多,其中关于安装方向问题更是引起了众多玩家的讨论。通过简单的变更热管散热器安装方向便可直接影响到最终性能的发挥,最佳成绩与最差成绩差距竟然可以达到18%。围绕这一现象众多玩家展开了激烈讨论,最终讨论分为了两大派别:1、热管裸露部分受到外界冷空气影响,导致蒸发速度降低最终影响性能发挥;2、热管内部工质受到重力影响,回流不畅最终影响性能发挥。

    两大派别为了证实自己的说法正确性,纷纷找来大量技术资料以及通过实际测试来进行证明。那么两大派别到底是谁对谁错呢?最终,我们还需要通过原理来进行分析并且结合实际测试来进行验证。

    首先,我们还是从原理来对这一现象进行分析。如同工作原理介绍部分中所描述的一样,热管实际是利用液体、气体的循环变化而实现导热作用。热导管与发热端接触部分称为吸热端,而与散热鳍片接触部分称为冷凝端。两端没有本质区别,区分方法只需要看哪一端与发热源接触哪一边就是吸热端,另一端则是冷凝端。在吸热端与冷凝断之间的部分为导热部分,导热部分大多数情况下是与空气直接接触。

    由于热管内部工质掺杂有一定化学原料并且采用抽真空设计,所以工质得沸点远远低于标准大气压下水的沸点通常仅有摄氐35度左右。如果热管道热过程中受到外界冷空气干扰,就会导致工质蒸发气体在未到达冷凝端时就会出现液化回流现象,从而大幅度影响了热管散热器的性能表现。这一观点,从同一热管散热器四个不同角度安装后的性能表现便可看出。

    然而对于性能损失来自重力的观点,也不能说没有一定道理。为加强热管效能,目前很多热管制造厂家都会在热管内部填充一定数量铜粉。铜粉的作用,是为进一步加大发热源以及冷凝端与工质的接触面积。在这种情况下,人们自然会联想到重力对于热管性能表现的影响。如果冷凝端冲下,那么铜粉怎么又会自己往上跑呢?这样的问题确实在一定程度上可以成立。但是,由于目前PC上所采用的热管均采用内部抽真空的毛细结构加之从体积上属于微型热管,所以在重力影响上几乎可以忽略不计。

散热效能佳!风道也关键

    为了证实上述分析,用户进行了一次全面的测试。测试时所采用的机箱在背板处以及顶部分别设有一颗12CM与14CM。由于14CM风扇风量远大于12CM风扇,所以在开启风扇是热管裸露部分冲上效果最差。如果说这样的测试还不能够说明热管方向带来的影响与重力无关,那么在关闭风扇情况下的测试就可以说是更为直观。

    同样的散热器、同样的测试环境,唯一不同的就是开启/关闭系统风扇。此时,原本效果最差的热管裸露部分冲上形式有了好转,而裸露部分冲左(冲向机箱背板处)测试成绩却出现了很大幅度落差。我们姑且不去分析具体原因,数据的巨大变化已经足以驳倒重力为关键的说法。

    排除了重力影响,那么我们再来仔细分析一下冷空气是如何来袭击热管裸露部分的。众所周知,热空气的流动方向是自然向上而冷空气则恰好相反。然而,这一现象在相对密封的机箱内部却发生了巨大变化。由于需要保持内外大气压强一致,机箱内部热空气被有效的排出同时外部冷空气则通过散热孔被强行积压至机箱内部,从而形成了所谓的机箱风道。

    目前,绝大部分机箱产品都是将电源放在顶部同时在背板处开设散热风扇安装孔位,电源与风扇都会将热量排出至机箱外部。而位于前面板处的散热孔与侧板CPU对应位置、显卡对应位置的散热孔,更多时间则是负责为外部冷空气进入机箱内部而提供通道。

    如果,用户使用的机箱如同之前测试中玩家所用的一样既顶部没有设计电源而是开设了散热孔位。那么在全部风扇关闭情况下,根据热空气向上流动的原理除位于顶部的散热孔适用于散热外其余散热孔将全部用于冷空气进入。

 

各部件一览!热管的应用

    如今市场上所见到的机箱产品大多是符合38度产品设计理念,那么38度理念到底是从何而来呢?所谓38度理念其实在INTEL设计上并没有针对这一理念来进行设计,而是仅仅在建议进行了说明。如今伴随新一代处理器以及配件的发展,38度理念也提升到了40度。

    38度理念是指,在INTEL规定平台上(915G+CD2.1GHz)CPU散热器上放2CM四点平均温度不超过38度。值得注意的是INTEL在提出38度理念时选用的配置较低,同时散热器上并未采用热管。如今不仅仅是CPU散热器带有热管,连同主板、显卡甚至电源都开始采用热管,那么传统的38度理念面对这些高科技产品时还是否可行呢?下面让我们来根据热管原理以及热学原理来对它们进行逐一分析。

    CPU散热器采用热管已经在上面进行了充分的分析,现在我们再来结合38度概念机箱来看下整体风道。不论是隔层式结构还是塔式结构,其冷凝端(鳍片)位置都是向上,这里正好对应机箱侧板上CPU散热孔位置。在电源与背部排风扇的共同作用下,CPU散热孔将外部冷空气吸入直接为冷凝端进行散热,冷热两端巨大的温差变化可以使得散热器整体效果发挥更加理想。

    相比CPU散热器的合理,显卡散热器就显得不是很乐观了。目前大多数显卡散热器都是采用了拱形门的热管设计,用于散热的鳍片大多都被设计在了显卡的正面。而38度理念机箱都会在显卡对应的侧板位置设计有一个大面积散热孔,其作用是将冷空气更迅速的导入机箱内部。而在采用拱形热管的显卡散热器上,热管裸露部分却正好对应散热孔。如此以来,热管的使用效能将会大打折扣。当然,如果机箱厂家在设计时将板卡散热孔开设在较低位置不直接对应显卡,那么效果依旧会有比较良好表现。

    接下来,再让我们看看主板上的热管散热器。如今随着主板供电电路以及北桥芯片温度日益增高,大规模热管散热器已经开始全面登陆中高端主板。常见的设计,大多为热管将PWM供电电路或南桥的热量传导至南桥上并加以散热。众所周知,目前主板供电电路以及北桥芯片热量都是相当惊人,部分高端产品甚至超过了百瓦,其发热量丝毫不逊色于任何一款中低端CPU。那么将热管放在两个火炉之间进行导热,其意义到底有多大?再此我想不用多说大家也能有所了解。

    其次,在主板散热设计上我们经常可以看到超长热管的应用。姑且不说热管弯折一次将损失一定的效能,仅仅这长达10CM的裸露部分就足以将热管的传导效能削减到可以忽略不计。当然也有一种特殊情况,如果某一厂家在进行设计时会将裸露部分热管进行保温处理,那么其导热效能将不会受到外界冷空气的干扰,可惜的是目前还没有任何一家提供此类设计。

要发挥效能!合理是关键

    最后,再让我们看看高端专享的热管散热电源。PC电源实际上就是一台复杂的变压器,它需要将220V交流电经过两次交直流变换、一次变压以及多次稳压滤波工作,最终才能够输出PC配件所适用的低压直流电。 在这一系列变换过程中,电源本身会有很大的无用功这些损耗最终都将转换成为热能释放出来。目前热管被应用于电源上主要设计都是,将高低压整流电路散热片上热量通过热管传导至背部散热鳍片上,然后依旧是通过内部的风扇来进行散热。

    首先,让我们来了解一下电源散热结构。如今常见的电源散热结构大多是采用12CM或14CM大尺寸散热风扇,风扇从机箱内部吸取空气吹向电源PCB板其间会同时为散热鳍片以及IC进行散热,底部会将由风扇吹来的空气反弹。上升空气与反弹空气相互作用,最终积压排放出电源。大风扇的散热结构有利于辅助机箱内部散热同时可以保证最低的噪音,但对于电源自身散热却并非最理想状态。

    另一种散热结构,是在电源背部采用一颗8CM散热风扇进行排风。这种结构,最大的好处就是为电源内部散热构建了一个最为直接有效的散热风道。INTEL对于这种结构也是情有独钟,在一系列的ATX 电源规范以及机箱的CAG指南中也均将这种散热结构电源作为标准产品。

    了解了电源的散热结构,相信大家对于电源内部热管安装如何才更为合理心中已经有了分晓。大风车电源直接将冷空气吹到散热鳍片上,而这里正是热管的吸热端。除非电源风扇的散热作用不是很好或者电源本身发热量较大,否则这一风道设计势必会影响到热管的高效工作。目前电源都在向高效率方向前进,高效率带来的最大改变就是大幅度将电源发热量,所以采用热管以及大风扇结构再加上高效率无疑会产生自相矛盾的现象。

    而标准的8CM散热风扇结构则是更有利于热管应用于电源内部,若将热管冷凝端鳍片设置在风扇的吸风一侧,风扇便可轻松为其进行散热,加大两端温差充分发挥热管效能。但是,这样一来电源长度就难以控制一般机箱将很难承载。

    所以,采用热管散热的电源产品最为理想的设计还是将冷凝端放置在电源外部并最好配以风扇进行散热。冷凝端与外界冷空气直接接触,内部可以设置风扇并加装温控电路在温度过高时自动开启。

    热管本来应用于航空航天领域,被引用到PC行业可谓是具有划时代意义的设计。高性能导热效能,为PC散热器的性能提升带来了充分的发挥空间。然而世间万物没有任何一款是十全十美的,热管散热器同样如此。在充分的了解了其工作原理后,我们便不难找出最佳的应用方法。有的时候并不是应用了最新最高端的技术就会得到理想的效果,同样也并不是散热孔越多就代表散热就越好。任何技术的应用、任意款产品的使用,都需要注意它本身的特点来配合,这有这样才能够发挥出它本身最强的性能。

责任编辑: banye 参与评论
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