熱管的散熱原理：致冷介質的熱循環

      熱管是1963年美國losalamos國家實驗室的g．m．grover發明的一種傳熱元件，這種技術充分利用了熱傳導原理與致冷介質的快速熱傳遞性質，透過熱管將發熱物體的熱量迅速傳遞到熱源外，其導熱能力超過任何已知金屬的導熱能力。熱管的工作原理很簡單，當受熱端開始受熱的時候，內管壁周圍的液體就會瞬間汽化并產生蒸氣，此時這部分的壓力就會變大，蒸氣流在壓力的牽引下向冷凝端流動。蒸氣流到達冷凝端后冷凝成液體，同時也放出大量的熱量， 后借助毛細力回到蒸發受熱端完成一次循環。具體到產品上，受熱端就是和散熱器底座接觸的部分，而散熱端則和散熱鰭片接觸。

　　由于液體冷凝的過程會采用到毛細原理，因此毛細結構是一根合格熱管產品的 核心部分。它主要有三個作用：一是提供冷凝端液體回流蒸發端的通道，二是提供內壁與液體/蒸氣進行熱傳導的通道，三是提供液氣產生毛細壓力所必需的孔隙。而熱管毛細結構的構成部分也就成為了我們區分熱管類別的唯一標示。

　　兩大主流熱管形式

      熱管的毛細結構分為絲網、溝槽、粉末燒結與纖維四種。在pc用的處理器散熱器和顯卡散熱器上，大部分都是溝槽與燒結兩類結構，燒結式熱管占了熱管產品的80%以上；而溝槽式熱管的市場份額則不到20%，這兩種熱管形式是目前市場上主流的產品。下面我們就來具體談談這兩種熱管的構成和差異。

　　燒結式熱管與溝槽式熱管

      燒結式熱管，其毛細結構是通過高溫下銅粉燒結制造而成的。我們 常見的水介質燒結式熱管制造流程大致為：選取99.5%純度的銅粉，銅粉單體粒徑控制在75～150微米。使用工具將外徑5mm紅銅管內部清除干凈，將銅管放到稀硫酸中使用超聲波清洗。清洗干凈后將一根細鋼棍插到銅管里，將銅管底部用銅片暫時封閉。接著就可以把純銅粉倒入銅管了。裝填完畢之后就可以拿到燒結爐進行燒結。燒結完成之后使用一個輔助工具把銅管加緊，使用工具把鋼棍抽出即可。燒結式熱管每個部分的毛細結構滲透率都應該大致相同，銅粉燒結塊分布厚度大致均勻，我們也可以通過觀察銅粉的均勻程度來判別燒結式熱管的優劣。

　　溝槽式熱管是熱管毛細結構中制造比較簡單的一種，采用整體成型工藝制造，成本是一般燒結式熱管的2/3。溝槽式熱管生產方便，其特征也非常明顯，熱管的缺口部分有著明顯溝槽狀。這種熱管對溝槽的寬度和深度都有著嚴格的要求，而且導熱的方向性很強。

　　兩種熱管導熱性分析

     既然市面上的主流熱管散熱器是溝槽式熱管和燒結式熱管，那么兩者在散熱性能上誰更出色呢？從市場反應來看，燒結式熱管的數量遠遠多于溝槽式熱管，前者在價格上也要大大高于后者，但實際上，僅從技術分析而言，溝槽式熱管的散熱性能并不差。兩個同尺寸的燒結式熱管和溝槽式熱管相比，由于燒結式熱管內部有大量銅粉進行填充，因此熱管的毛細半徑小，滲透效率相對較低，這也就導致了燒結式熱管在長度增加時熱管的導熱性能會有一定下降。而溝槽式熱管，填充料少，毛細內徑大，滲透率也較高，因此在直通狀態下，溝槽式熱管的導熱效率要強于燒結式熱管。

　　不過市面上的熱管散熱器沒有一款是直通狀態，而這正是影響了溝槽式熱管散熱性能的關鍵。之前我們說過，溝槽式熱管導熱的方向性很強，這意味著當熱管出現彎曲的時候，它的導熱性能會大幅下降。市面上的散熱器熱管大多數都彎曲了90度，有的甚至彎曲了180度，在這種情況下，溝槽式熱管的性能甚至無法達到直通狀態下的1/3，散熱效果自然也就不會理想了。

　　當然，即使是燒結式熱管，在彎曲后散熱性能也會受到影響，只是沒有溝槽式熱管下滑得這么嚴重。一般來說，熱管彎曲的角度越小，彎曲的次數越少，其散熱效果也就越好。此外，另一個影響熱管導熱性能的是妥協式的工藝設計。我們經常看到熱管的兩端被壓扁，這種扁平化的設計其實也非常影響熱管性能，因為這種嚴重的形變實際上已經破壞了熱管的內部結構，使得毛細部分中斷，自然性能也會嚴重下降。下面我們將用實際的測試來告訴大家兩種熱管在導熱性能上的差異。

　　我們如何測試

      我們的測試過程其實很簡單，準備一根溫度計（本次測試用溫度計 大可測試100℃的溫度）、一根溝槽式熱管以及一根燒結式熱管，兩根熱管長度基本相同。我們的測試分為兩步進行。

　　首先我們會測試熱管直通狀態下的導熱性能，我們將溫度達到75℃的溫開水倒入保溫杯中，將兩根熱管插入水中，在經過相同時間后溫度趨于穩定，此時我們分別測試在熱管直通的導熱下，水溫下降了多少。

　　此外，我們還會模擬散熱器實際熱量傳導的工作方式。我們會將兩根熱管經過二次彎曲加工，然后將熱管的兩端分別放入兩個量杯中，一個量杯裝載冷水，一個量杯裝載80℃的溫開水，在經過相同時間后，我們會測試在不同熱管的導熱下，原本為80℃的溫開水水溫下降了多少。在這個測試中，冷水部分代表著散熱器中的散熱塊，而熱水部分則可以代表gpu或者cpu，很有實際意義。

　　從測試來看，在熱管處于直通狀態下，溝槽式熱管的性能的確要比同長度的燒結式熱管好。而且在測試中，溝槽式熱管導熱的速度明顯要快于燒結式熱管，而燒結式熱管則要慢一些。原理之前我們已經解釋過了，下面我們來看看非直通狀態下，兩種熱管的表現。

　　在模擬散熱器實際工作的測試中，可以看到在兩次彎曲后，燒結式熱管的性能表現要強于溝槽式熱管，原本80℃的水溫，在燒結式熱管導熱后迅速降至70℃，而溝槽式熱管只能將水溫降至75℃。