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深度测试 热管散热器吸热底座效能研究

晨怡热管 2009-9-2 0:11:00

热管的前世今生

据记载,早在1935年通用汽车公司就申请了类似于热管结构的元件的专利,但热管在那时只是概念。直到1963年科学家George M.Grover制造出了人类历史上第一根热管,这种效能极高的元件才真正被人们所认识。在20世纪80年代以前,由于制造成本较高,热管并没有得到普及。当时只有ZF的高科技单位和军方才买的起热管,应用在人造卫星和一些重要部门的高科技仪器设备上。

随着科学技术的发展、工业制造水平的提高,热管的制造成本得以下降,热管渐渐渗透到了民用领域。计算机技术的发展和计算机设计的小型化等因素促使了热管技术的飞速发展。可以这么说,计算机技术的发展是热管技术全面普及的催化剂与促进剂。前些年只有硬件发烧友才买的起热管散热器,而现在硬件发烧友多了、整个市场大了,热管散热器价格也更贴近大众了,也就有更多人有机会享受热管散热器带来的好处。

热管的工作原理

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典型热管散热

上图为一个典型的三根U型热管结构的散热器。顾名思义,热管是一根管子,内部是中空的。热管里面储有可以相变的工作介质,经抽真空后两头封口使其密闭。热管的工作原理是这样的:开始工作时热源使得热管的其中一端受热,这时热管就会升温。由于热管内部是真空的,工作介质会在比常压沸点低的多的温度下迅速沸腾汽化,这个过程是吸热的。汽化了的热蒸气会以喷射般的状态流向低温低压的热管一端。由于另一端温度比较低,热蒸气就会冷凝成液珠吸并附到热管内壁的吸液芯上,液体在重力、离心力、毛细力的作用下流回到热管的热端附近,如此循环往复。如果冷端有散热器设备的话(如:低温流体冲刷、接触低温储能固体/液体,或者接触式的散热片能够把热量散发到空气中),热管一端吸热另一端放热整体传热的过程就会持续不断的进行下去。如果冷端不能散发热量,则热管会很快平衡到和发热体相同的温度。热管的传热过程是一个连续的过程。只要热管两端存在温差,热管寿命还在,热管将不知疲倦的工作下去。

热管传热速度

热管传热速度取决于热管两端温度差,温度差越大工作介质蒸发冷凝速度越快。在极端的情况下热管内工作介质蒸发速度可以接近音速。这种快速的相变反应带来的传热效率比普通的纯铜高数十倍甚至上百倍。因此人们将这种性能极佳的热管制成了散热器,应用于电子产品的散热。这种热管散热器能够把发热元件产生的热量快速的传递到散热鳍片上并散发出去。热管散热器最大的优点是提高了产品的可设计性。正是由于这种小体积高效率的导热元件的存在,才能把散热系统设计的更小巧,可以更好的利用空间。

热管的种类

随着科学技术的发展,热管种类也在不停的进化着。热管优良的可设计性使得人们可以根据不同的需求把热管设计成不同的长度、直径、形状以及内部结构。根据内部结构的不同,热管大致可以分为以下四类。

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热管的大致分类

在这些结构中间,烧结式热管的性能最好。在热管散热器刚刚问世的时候,由于沟槽热管价格比较便宜,烧结热管价格比较贵,散热器制造厂商往往基于成本的考虑选择前一种热管。但现在能够生产热管的厂商越来越多了,激烈的竞争使得最先进最高效能的热管价格越来越便宜。

烧结热管的制造工艺简介

现在小体积柱状热管应用最广的是烧结式热管。前面几种热管看图和看名字就能大致了解到其结构。 ——这里简单介绍下烧结热管的制造工艺过程。制造烧结热管需要准备好两种材料,其一是铜管——按照客户需要制造出一定直径和管壁厚的铜管备用;再有就是预知铜粉浆——在一定粒径/目数的铜粉(或者多种粒径的铜粉混合物)中加入液体分散剂和稳定剂以及抗氧化剂浸润剂等添加剂,制成类似墙漆涂料的铜粉浆。把铜粉浆灌入到铜管内,使得铜粉浆在铜管内形成一个涂层,对这个铜管子加热焙烧或烘烤蒸发掉铜粉浆中的液体分散剂,制成热管基材。然后把热管一端封头,灌入一定量的工作介质后,抽真空密封热管另一端。经过质检合格后一根热管就出炉了。

烧结热管之所以高效的原因

烧结热管的高效主要取决于其管内壁的吸液芯的结构,任何热管内壁都有吸液芯,热管内冷凝液回流就主要就靠吸热芯,热管的结构区别也主要看这点。(沟槽热管靠沟槽增加大气、液、固的接触面积)烧结热管的内壁结构:铜粉在制造过程中被堆砌成了具有一定厚度多孔结构的层状结构,其中大部分孔是联通的,可以像管子一样导流液体,并且铜粉的传热也很快,这些因素造就了烧结热管高效的性能。

热管工作原理解析

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热管工作原理的示意

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热管工作工作的动力学模型

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热管工作的动态模型


热管散热器结构与性能的关系

上面简单介绍了下热管的知识,大家吃个甜点,下面将进入正题。现在市场上散热器产品种类非常多,性能也有一定的差别。每个厂商都在不遗余力的想办法改善散热器的结构:增加散热器的散热面积,改善散热器鳍片的设计等等。但很少有人注意到散热器底座——吸热端的设计。散热器是一个整体,就像水桶短板理论一样,哪里短了都不行。下面我们对吸热底座进行一些分析。

一般CPU散热器的吸热底座设计结构有:热管全包式、热管半包式、单面焊接式,HDT热管直触式等等。热管全包式结构的典型产品是利民 U120-E,热管被上下包裹在底座里面;热管半包式结构的典型产品是TT大台风,热管镶嵌在一个U形凹槽中,上面一块板子对热管加以固定。极冻酷凌一些产品设计是把一个打扁的热管镶嵌到一个长方形凹槽中然后上面焊个盖子,虽然是上下都包在凹槽内,但是热管与底座的接触并不是完整一周,所以把他分到热管半包式里面;单面焊接式结构是把热管打扁然后焊到一个铜片上,大部分笔记本散热器的吸热端都是这样;而HDT是把热管镶嵌到一个半圆形凹槽中,通过机械加工使热管的凸出的另半边成为一个平面,热管直接接触CPU。超频三大多数热管散热器还有其他品牌一些型号散热器都使用这种结构。HDT技术使得热管与CPU直接接触,看起来应该有着很好的导热能力。事实是否真的如此?本文将通过分析及实验来考察采用HDT技术的散热器的效能。

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HDT式底座与其他吸热底座的区别

市场上有些散热器外形设计的非常夸张,但是整体效能却很一般,这是为什么呢?部分原因是散热器设计得不合理,包括原材料的选取和散热器整体以及细节的结构不合理,另外一部分原因就是制造工艺所限。散热器的设计是一个整体工程,包括外形结构的设计、材料的选取、制造工艺的设计。外形结构设计很重要因为他关乎空气动力学以及鳍片是否能有效的被利用;材料的选取,不同厂生产的板材和热管性能不一样;制造工艺的设计,这个和工厂的产能与所产产品市场定位有关以及生产成本等因素有关,因为涉及的东西比较多,所以不介绍。在散热器的设计过程中常用到的一个词是热阻——Thermal Resistance,热阻是反映阻止热量传递的能力的综合参量。在传热学的工程应用中,为了满足生产工艺的要求,有时通过减小热阻以加强传热;而有时则通过增大热阻以抑制热量的传递。一个电路一个电子产品会存在一个电阻,而在散热领域则是热阻。

决定热阻大小的因素主要有两个,一方面是材料自身的热阻,另一方面是材料的结合处的热阻。材料本身的热阻问题好解决,综合好成本选个热阻小的材料就行了。说到材料结合处的热阻,这里需要引入一个词:界面,只要不是气体与气体,可互溶的液体与液体,所有不同的气体、液体、固体相结合都会形成界面。油和水之间的界面,液体浸泡固体的界面等等都是界面的实例。除了单一材料本身的热阻以外,还有两片材料的结合部会存在热阻。结合工艺不同会使热阻大小不同。一台普通的热管散热器主要分为三部分,吸热底座、热管、散热片,他们之间的结合部存在热阻,结合不好会引起热阻的累积从而使得散热器性能变差。散热器底座附近是整个散热系统中界面最多的地方,也是热阻最多的地方,接下来看下这些界面和热阻都在哪里。

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热量传导到热管要经过的界面



论证HDT技术的优越性

测试方法及测试项目介绍

经过上面的分析与理论依据,我将通过一个实验来对比HDT和传统散热器底座之间的性能差距用以验证之前的推论。如何实验呢,特地制造两台“上层建筑”一样,底座不同的散热器可行性不大;把U120-E改造成HDT难度更高;于是逆向思维,把一台HDT底座的散热器改造成普通的包裹式底座散热器。怎么操作呢,在HDT上面加装一个铜盖,中间用液态金属导热垫填充(酷冷博出品)用来模仿焊接工艺。

首先对改造前的HDT散热器进行效能测试,记录待机满载温度。然后拆掉散热器,并重新安装散热器模仿非HDT底座。安装方法如下:在CPU上涂好硅脂,把铜板粘到CPU上并压紧,然后把液态金属导热垫安放到铜板上并安装好同一台散热器。停风扇拷机65度以上(液态金属熔点为58度)确保液态金属完全熔融,硅脂充分磨合。然后把平台冷却一定时间,再对其进行效能测试。

平台设置及测试方法:I7 920 1.3V 超频4G,测试风扇采用同一9025风扇,风扇设置转速2500RPM,环境温度23.5摄氏度左右;OR 8线程 Large 9级拷机半个小时,EVEREST监测满载温度30分钟后记录温度;停OR稳定15分钟后的温度为最终待机温度。

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液态金属导热垫、红海至尊版、一块紫铜铜片 37mm×45mm×0.5m

 

测试平台介绍

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测试结果

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待机测试结果对比

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满载测试结果对比

结果分析

从测试结果可以看出,我们模拟的非HDT吸热底的散热器效能比原装HDT散热器效能差了不少。在同样的测试条件下,采用HDT吸热底座的散热器待机15分钟的温度比所模拟的非HDT测试的待机温度低1摄氏度,满载半小时的温度低4摄氏度左右。由于我们加的铜底不是真正焊接到热管上的,只是通过液态金属导热垫模仿焊接效果,所以测试结果可能有些偏差。不过我们从其他一些信息来源了解到HDT技术吸热底座比传统的吸热底座效能好2-3摄氏度,所以我们的测试数据还是具有一定的参考意义。

责任编辑: banye 参与评论
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