工業散熱的新趨勢——熱管

工業散熱的新趨勢——熱管
自從摩爾定律被證實后，半導體的工藝迅猛發展，讓我們一次次的去挑戰心跳的極限，但是同樣帶來的是心跳的溫度。傳統的散熱片加風扇的已經很難滿足工業級產品日益苛刻的散熱要求以及客戶對無風扇技術的要求，工控界又面臨著新一輪的挑戰，面對著熱管技術開始對民用PC的滲透，工業界又會面臨著什么樣的選擇？但不管將來的路會怎么走，我們首先應該去把熱管的神秘面紗揭開，去細致的了解它的一切，究竟它能用在我們工控的領域么？
一、熱管的歷史
熱管，英文名Heat Pipe，又名熱導管或超導管。美國通用發電機工程師Gaugler 早在1942年就提出了類似的方案，并且在1944年取得了專利。但是直到1963年，科學家George M．Grover第一個發明并且成功地制造出了熱管，熱管才普遍地受到人們的重視，逐漸成為一種提高傳熱效率的元件。
在上個世紀70年代后，熱管才由理論階段進入應用階段，但由于技術的不成熟以及高昂的成本，當時使用范圍僅僅限制在航天、核電等高端技術領域。進入80年代后，隨著技術的不斷完善，以及成本的降低，熱管技術開始廣泛的進入民用工業，但是僅僅限于大型工業設備以及生產上。進入90年代，熱管開始朝著微型化、高效化發展，它的目標瞄準了PC這個巨大的市場。進入21世紀，當它真正的擺在我們的面前的時候，我們不禁要問，它究竟是怎樣工作的呢？
二、熱管的工作原理
熱管的簡單工作原理如圖1。從熱力學的角度看，物體的吸熱、放熱是相對的，只要有溫度差存在，就必然出現熱從高溫處向低溫處傳遞的現象，有差別的只是傳導速度。熱傳遞有3種方式：輻射、對流、傳導，其中熱傳導最快。熱管一端受熱時，管內工質汽化，從熱源吸收汽化熱，汽化后蒸汽向另一端流動并遇冷凝結，向散熱區放出潛熱。冷凝液籍毛細力和重力作用回流，繼續受熱汽化。這樣往復循環將大量熱量從加熱區傳遞到散熱區。由于熱管內熱量傳遞是通過工質相變過程進行的，因此其導熱能力比金屬高幾百倍。這種極佳的導熱性能，可以使熱量不會在發熱部位堆積，而是均勻地散發到了散熱器的各個散熱翅片上，極大地提高了散熱片的導熱性能。同時我們注意到，熱管本身是不具備散熱能力的，它只能起到導熱的功能，因此，熱管仍然需要散熱片的配合才能實現散熱功能。
圖1 熱管工作原理
三、熱管的構造
熱管的構造從縱向分可分為蒸發段、絕熱段以及冷凝段三個工作段。蒸發段顧名思義就是接收外界熱源的熱量，并且把熱量傳輸給管內的液體工質，使其蒸發。絕熱管主要是負責傳輸氣態工質，并且還負擔著與外界隔熱的作用。冷凝段的作用是使氣態的工質冷凝，并把熱量通過管壁和散熱器傳到管外。
而我們如果把熱管從徑向剖析看，我們可以把熱管分成管殼、吸液芯和流體通道三個部分，如圖2所示。管殼由于必須承受熱管內部的真空高壓，并且還必須更小的熱阻，因此對管材的材料和制造工藝有很高的要求。目前廣泛采用的是炭鋼、鋁、銅、不銹鋼、鈦等。吸液芯是一種多孔材質，它緊貼于熱管內壁，利用液體的表面張力從凝結段將液體送回到蒸發段。吸液芯的材質主要是由金屬網、泡沫材料、毛氈、纖維等多孔物質組成。熱管的中間部分作為蒸氣傳輸通道。作為工作介質，一般選擇與吸液芯有良好的相容性，并且導熱性、穩定性、汽化性、安全性高的液態介質。目前主要使用的是銅-水或者鋁-丙酮組合。
圖2 熱管構造圖
四、熱管與其它散熱方案的比較
除了熱管，目前PC領域主要的散熱方式主要有風冷、水冷、半導體散熱、相變制冷等。下面我們就這幾種散熱方式進行簡單的分析。
風冷散熱 ——這是目前PC上最普遍的散熱方式，利用通過散熱片與CPU的核心相接觸將熱傳導出來，然后再通過風扇轉動，來加強空氣的流動，通過強制對流的方式將散熱片上的熱傳至周圍的環境。其工作圖如圖3所示：
圖3風冷散熱工作原理圖
優點：結構簡單，價格低廉，安全可靠，技術成熟。
缺點：降溫的效果有限，并不能達到令人滿意的程度，并且具有噪音，風扇的使用壽命也有限制。
水冷散熱——其原理是利用水泵驅動水流經熱源，進行吸熱傳遞。其工作圖如圖4所示
圖4 水冷散熱工作原理圖
優點：散熱效果非常優秀，是風冷效果所不能比擬的。因為即使是散熱效率最高的渦輪風扇的溫度比它還要高10度呢；沒有風扇，不會振動。
缺點：需要良好的通風環境，并且體積大安裝和維護不方便，容易滴漏、安全性不高。
半導體散熱——半導體散熱工作原理是利用帕爾特效應，在冷端將熱能轉化為電能，電能通過導體傳輸到冷端，在熱端再將電能轉化為熱能，其原理圖如圖5所示：
圖5半導體散熱工作原理圖
優點:能使溫度降到非常理想的室溫以下；并且可以通過使用閉環溫控電路精確調整溫度，溫度最高可以精確到0.1度；可靠性高，使用固體器件致冷，不會對CPU有磨損；使用壽命長；工作的時候不產生噪音
缺點：半導體熱端的最高溫度不能超過60度，否則容易燒毀，并且冷端容易出現結露現象，導致短路。其功耗為60W-300W，普通電源無法承受。
相變制冷——其原理是利用制冷劑液體（液氮、液體氟里昂等）在超低溫下進行氣化從而帶走熱量。通過反復的將制冷劑進行汽化和液化的過程，將產生的熱能帶走。
優點：可以把溫度降得非常低
缺點：會使主板結露，可能會造成短路；CPU脆性增大；有極高的危險性，會對人身安全造成傷害。
通過對上訴幾種散熱方式的分析，我們不難看出，熱管散熱相對于以上的散熱方式存在的優勢：
1. 熱阻小，傳熱快。熱管的熱導系數是普通金屬的100倍以上。
2. 傳熱方向可逆，不管任何一端都能成為蒸發端和冷凝端。
3. 優良的熱響應性。熱管內氣化的蒸汽能以接近音速的速度傳輸，從而有效率的提高了導熱效果。
4. 結構簡單，重量輕，體積小，維護方便。
5. 低功耗、無噪音、符合工業“綠色”的要求。
五、熱管在工控界的運用
熱管技術作為散熱界的新寵，目前仍然沒有在工控界得到廣泛的應用，其主要原因是目前各家廠商主流產品都是以低功耗的CPU為主，而且相對于追求游戲速度以及圖象處理的用戶來說，工控用戶對性能的穩定性、實用性、集成性要求更高，而這些主頻相對比較低的低功耗CUP，普通的散熱片最多加入嵌入式風扇便能滿足散熱的需求，因此在目前市場上無法見到使用熱管技術的工控主板。
但是我們不能不去展望未來，隨著社會信息化的不斷提高，各種使用嵌入式工業主板的產品都在超著高集 成化、高速度化、高品質化、小型化、“綠色”化的方向發展，在提高CUP的同時，如何去解決散熱上的高效率以及無風扇的問題，熱管技術似乎給了我們一個很好的解決方案，下面就以研揚科技的GENE-6350來探討一下熱管技術的可行性。
GENE-6350的規格是146mm x 101.6mm,其CPU使用的是Intel Low Voltage Celeron 400/650MHz,如圖6所示。
采用熱管必須使用熱管專用散熱片，其規格是上下架構，我們必須在原有主板的基礎上在將普通散熱片如圖7所示改為熱管散熱片如圖8所示，改進后的主板其主要改變是高度由原來的2CM變為接近5CM，并且會在主板的一方會有熱導管的出現。但其長度不會超過2CM，因此從主板的整體架構上來說并不會對客戶造成影響。
六、未來展望
隨著熱管加工工藝的不斷改善，其可靠性、安全性、耐用性將會更加提高，而成本和價格會進一步降低，PC市場的普及只是時間上的問題，而我相信工控界也不會袖手旁觀，在指日可待的某一天，您會看到使用熱管散熱方式的嵌入式主板出現在工控領域中。
不論是過去、現在還是未來，,研揚是嵌入式系統專家，也是您選擇工控產品時最好的合作伙伴。