热管之芯 热管散热器内部结构大揭秘 一般来说，从热管的表面很难看出它内部采用的是怎样的结构。小编我相信，关注这篇文章的读者一定看过许多处理器、显卡散热器的评测文章。对于高级发烧用户的你来说，一定对热管散热的原理有滔滔不绝的谈资。但是如果你真的想知道散热器上的一根根热管内部采用怎样的结构，那么只能暴力切开才能一窥究竟。虽然这是极具暴力的破坏性测试，但是正如你此刻预想的那样，导热管内部的结构和所使用的技术决定了这些现代处理器散热器的换热性能。今天小编我就来跟你聊聊这事儿。
正如你所知道的，现在的热管都是金属结构，这样可以有效的进行换热，让热量从一端传导到另一个端。它是一个封闭的结构，内部存有一些容易蒸发的液体，然后通过内部液体的蒸发与冷凝的回流进行热量的搬运。热管内部是真空的，这样在低气压下，内部的液体就可以在很小的温差下得以沸腾和蒸发。液体会非常自然的朝较冷地方流淌。其热管之芯的内部结构，对于液体回流的性能有着决定性的作用。热管之芯的内部，大多都有一些细小的毛刺和孔洞，利用水的张力和虹吸作用，可以加速液体的回流。虹吸作用非常好理解，例如你把毛巾放在水盆的边沿，触及到水的毛巾会变湿，但是毛巾其他部分未真正触及水也会变湿，这就是因为毛巾纤维内部有很多空隙，在虹吸作用下，将水从毛巾一端抽到了另一端。
由此热管的导热效率一个关键的因素，就是内部的结构设计。谁的设计越巧妙，那么他的导热效率就越高，内部的回流液体就越能摆脱地心引力，在热管内部任意流淌。而一般消费级的商业用途中，热管的内部结构分为三种：热熔渣结构、沟槽结构、多重金属网孔。
 热管技术是1963年美国LosAlamos国家实验室的G.M.Grover发明的一种称为“热管”的传热元件，它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。热管技术以前被广泛应用在宇航、军工等行业，自从被引入散热器制造行业，使得人们改变了传统散热器的设计思路，摆脱了单纯依靠高风量电机来获得更好散热效果的单一散热模式，采用热管技术使得散热器即便采用低转速、低风量电机，同样可以得到满意效果，使得困扰风冷散热的噪音问题得到良好解决，开辟了散热行业新天地。现在常见于cpu的散热器上。
热管之芯 从热力学的角度看，为什么热管会拥有如此良好的导热能力呢？物体的吸热、放热是相对的，凡是有温度差存在的时候，就必然出现热从高温处向低温处传递的现象。从热传递的三种方式来看（辐射、对流、传导），其中热传导最快。热管就是利用蒸发制冷，使得热管两端温度差很大，使热量快速传导。一般热管由管壳、吸液芯和端盖组成。热管内部是被抽成负压状态，充入适当的液体，这种液体沸点低，容易挥发。管壁有吸液芯，其由毛细多孔材料构成。热管一段为蒸发端，另外一段为冷凝端，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。
从字面上解释，这种热管的内部结构就像是烧焦的蜂窝煤或是热炉渣。看似粗糙的内壁中，遍布各种细小的孔洞。他们就像是人身体上的毛细血管一样。热管内的液体会在这些小孔中穿梭，形成强大的虹吸力量。事实上，制作这样热管的工艺比较复杂，将铜粉加热到一定温度，在其未完全融化的之前，铜粉颗粒额边沿会首先融化，粘连四周的铜粉。这样就形成了现在你所见到的镂空结构。从图中看，也许会认为它非常绵软，但事实上，这种热熔渣既不绵软也不松散，而是非常坚固。因为它是铜粉经过高温加热的物质，所以在他们冷却之后，就恢复了金属本来的坚硬质感。另外从制造的角度看，这种制程和结构的热管制造成本较高。
热熔渣结构 
典型的热管由管壳、吸液芯和端盖组成，将管内抽成1．3×(10负1－－－10负4)Pa的负压后充以适量的工作液体，使紧贴管内壁的吸液芯毛细多孔材料中充满液体后加以密封。管的一端为蒸发段(加热段)，另一端为冷凝段(冷却段)，根据应用需要在两段中间可布置绝热段。当热管的一端受热时毛纫芯中的液体蒸发汽化，蒸汽在微小的压差下流向另一端放出热量凝结成液体，液体再沿多孔材料靠毛细力的作用流回蒸发段。如此循环不己，热量由热管的一端传至另—端。热管在实现这一热量转移的过程中，包含了以下六个相互关联的主要过程：
1、热量从热源通过热管管壁和充满工作液体的吸液芯传递到（液－－－汽）分界面；
2、液体在蒸发段内的（液－－汽）分界面上蒸发；
3、蒸汽腔内的蒸汽从蒸发段流到冷凝段；
4、蒸汽在冷凝段内的汽．液分界面上凝结：
5、热量从（汽－－液）分界面通过吸液芯、液体和管壁传给冷源：
6、在吸液芯内由于毛细作用使冷凝后的工作液体回流到蒸发段。
我本将心照明月，奈何明月照沟渠。这种热管的内部结构设计就像是一条条平行的沟渠一样。它的作用也是像毛细血管一样，回流的液体通过这些沟槽迅速在热管中进行传导。但是根据开槽的精密细腻情况，根据制程的工艺水平和沟槽的方向等，会对热管的散热造成很大的影响。从生产成本的角度来看，这种热管的制造相对简单，更容易制作，制造成本相对低廉。但是对于热管沟槽的加工工艺要求更高。一般说来，顺着液体回流的方向是最好的设计。由此从理论上来说，不如前者的散热效率高。
沟槽结构 
热管的相容性是指热管在预期的设计寿命内，管内工作液体同壳体不发生显著的化学反应或物理变化，或有变化但不足以影响热管的工作性能。相容性在热管的应用中具有重要的意义。只有长期相容性良好的热管，才能保证稳定的传热性能，长期的工作寿命及工业应用的可能性。碳钢－水热管正是通过化学处理的方法，有效地解决了碳钢与水的化学反应问题，才使得碳钢—水热管这种高性能、长寿命、低成本的热管得以在工业中大规模推广使用。影响热管寿命的因素很多，归结起来，造成效管不相容的主要形式有以下三方面，即：产生不凝性气体：工作液体热物性恶化：管壳材料的腐蚀、溶解。
1、产生不凝性气体 由于工作液体与管完材料发生化学反应或电化学反应，产生不凝性气体，在热管工作时，该气体被蒸汽流吹扫到冲凝段聚集起来形成气塞，从而使有效冷凝面积减小，热阻增大，传热性能恶化，传热能力降低甚至失效。
2、工作液体物性恶化 有机工作介质在一定温度下，会逐渐发生分解，这主要是由于有机工作液体的性质不稳定，或与壳体材料发生化学反应，使工作介质改变其物理性能，如甲苯、烷、烃类等有机工作液体易发生该类不相容现象。
3、管壳材料的腐蚀、溶解、工作液体在管壳内连续流动，同时存在着温差、杂质等因素，使管壳材料发生溶解和腐蚀，流动阻力增大，使热管传热性能降低。当管壳被腐蚀后，引起强度下降，甚至引起管壳的腐蚀穿孔，使热管完全失效。这类现象常发生在碱金属高温热管中。
更多更普遍的热管散热器内部使用的是这种多重金属网孔设计。从图中，你不难看出，这热管芯里面的絮状东西，就像是一顶戴糟了的破草帽。一般这种热管内部使用的是一种由铜线制作的金属织物。细小的铜线之间存在许多空隙，但是织物的结构又不会让织物错位阻塞热管。如果你刚刚切开一个热管，你能明显发现，里面的多重金属网会显得非常潮湿。你用手摸到的液体，就是热管内部的回流液体。
从成本的角度看，这种热管的内部结构相对简单许多，制作起来也更加简单。仅需一只普通铜管，填充这些多重金属网孔织物即可。从理论上来说散热效果不如前面二者。
多重金属网孔 
1、热管零部件及其加工：热管的主要零部件为管壳、端盖(封头)、吸液芯、腰板(连接密封件)四部分。不同类型的热管对这些零部件有不同的要求。
2、管壳制造：热管的管壳大多为金属无缝钢管，根据不同需要可以采用不同材料，如铜、铝、碳钢、不锈钢、合金钢等。管子可以是标准圆形，也可以是异型的，如椭圆形、正方形、矩形、扁平形、波纹管等。管径可以从2mm到200mm，甚至更大。长度可以从几毫米到l00米以上。低温热管换热器的管材在国外大多采用铜、铝作为原料。采用有色金属作管材主要是为了满足与工作液体相容性的要求。
3、端盖的加工：热管的端盖具有多种结构形式，它与热管舶连接方式也因结构形式而异。端盖外圆尺寸可稍小于管壳内径，配合后，管壳的突出部分可作为氩弧焊的熔焊部分，不必再填焊条，焊口光滑平整质量容易保证。旋压封头是国内外常采用的一种形式，旋压封头是在旋压机上直接旋压而成，这种端盖形式外型美观，强度好、省材省工，是一种良好的端盖形式。
4、热管芯结构：热管芯是热管的一个重要组成部分。吸液芯的结构形式将直接影响到热管和热管换热器的性能。近年来随着热管技术的发展，各国研究者在吸液芯结构和理论研究方面做了大量工作。
写在最后 看完此文也许你会慨叹，小小的热管也有如此多的学问。并不是所有的热管内部结构都相同，热管的数量也不一定真的能完全左右散热的效率。知名大厂的高端产品也并不一定使用的就是真材实料的高品质热管。最后还是那句话，请各位看官在购买之前擦亮眼睛。 | 
发表于 2010-1-11 17:59
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