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工业散热的新趋势——热管

一、热管的历史
　　热管，英文名Heat Pipe，又名热导管或超导管。美国通用发电机工程师Gaugler 早在1942年就提出了类似的方案，并且在1944年取得了专利。但是直到1963年，科学家George M．Grover第一个发明并且成功地制造出了热管，热管才普遍地受到人们的重视，逐渐成为一种提高传热效率的元件。
　　在上个世纪70年代后，热管才由理论阶段进入应用阶段，但由于技术的不成熟以及高昂的成本，当时使用范围仅仅限制在航天、核电等高端技术领域。进入80年代后，随着技术的不断完善，以及成本的降低，热管技术开始广泛的进入民用工业，但是仅仅限于大型工业设备以及生产上。进入90年代，热管开始朝着微型化、高效化发展，它的目标瞄准了PC这个巨大的市场。进入21世纪，当它真正的摆在我们的面前的时候，我们不禁要问，它究竟是怎样工作的呢？

二、热管的工作原理
　　热管的简单工作原理如图1。从热力学的角度看，物体的吸热、放热是相对的，只要有温度差存在，就必然出现热从高温处向低温处传递的现象，有差别的只是传导速度。热传递有3种方式：辐射、对流、传导，其中热传导最快。热管一端受热时，管内工质汽化，从热源吸收汽化热，汽化后蒸汽向另一端流动并遇冷凝结，向散热区放出潜热。冷凝液籍毛细力和重力作用回流，继续受热汽化。这样往复循环将大量热量从加热区传递到散热区。由于热管内热量传递是通过工质相变过程进行的，因此其导热能力比金属高几百倍。这种极佳的导热性能，可以使热量不会在发热部位堆积，而是均匀地散发到了散热器的各个散热翅片上，极大地提高了散热片的导热性能。同时我们注意到，热管本身是不具备散热能力的，它只能起到导热的功能，因此，热管仍然需要散热片的配合才能实现散热功能。

图1 热管工作原理

三、热管的构造
　　热管的构造从纵向分可分为蒸发段、绝热段以及冷凝段三个工作段。蒸发段顾名思义就是接收外界热源的热量，并且把热量传输给管内的液体工质，使其蒸发。绝热管主要是负责传输气态工质，并且还负担着与外界隔热的作用。冷凝段的作用是使气态的工质冷凝，并把热量通过管壁和散热器传到管外。
　　而我们如果把热管从径向剖析看，我们可以把热管分成管壳、吸液芯和流体通道三个部分，如图2所示。管壳由于必须承受热管内部的真空高压，并且还必须更小的热阻，因此对管材的材料和制造工艺有很高的要求。目前广泛采用的是炭钢、铝、铜、不锈钢、钛等。吸液芯是一种多孔材质，它紧贴于热管内壁，利用液体的表面张力从凝结段将液体送回到蒸发段。吸液芯的材质主要是由金属网、泡沫材料、毛毡、纤维等多孔物质组成。热管的中间部分作为蒸气传输通道。作为工作介质，一般选择与吸液芯有良好的相容性，并且导热性、稳定性、汽化性、安全性高的液态介质。目前主要使用的是铜-水或者铝-丙酮组合。

图2 热管构造图

四、热管与其它散热方案的比较
　　除了热管，目前PC领域主要的散热方式主要有风冷、水冷、半导体散热、相变制冷等。下面我们就这几种散热方式进行简单的分析。
风冷散热——这是目前PC上最普遍的散热方式，利用通过散热片与CPU的核心相接触将热传导出来，然后再通过风扇转动，来加强空气的流动，通过强制对流的方式将散热片上的热传至周围的环境。其工作图如图3所示：

图3 风冷散热工作原理图

　　优点：结构简单，价格低廉，安全可靠，技术成熟。
　　缺点：降温的效果有限，并不能达到令人满意的程度，并且具有噪音，风扇的使用寿命也有限制。

水冷散热——其原理是利用水泵驱动水流经热源，进行吸热传递。其工作图如图4所示:

图4 水冷散热工作原理图

　　优点：散热效果非常优秀，是风冷效果所不能比拟的。因为即使是散热效率最高的涡轮风扇的温度比它还要高10度呢；没有风扇，不会振动。
　　缺点：需要良好的通风环境，并且体积大安装和维护不方便，容易滴漏、安全性不高。

半导体散热——半导体散热工作原理是利用帕尔特效应，在冷端将热能转化为电能，电能通过导体传输到冷端，在热端再将电能转化为热能，其原理图如图5所示：

图5 半导体散热工作原理图

　　优点:能使温度降到非常理想的室温以下；并且可以通过使用闭环温控电路精确调整温度，温度最高可以精确到0.1度；可靠性高，使用固体器件致冷，不会对CPU有磨损；使用寿命长；工作的时候不产生噪音
　　缺点：半导体热端的最高温度不能超过60度，否则容易烧毁，并且冷端容易出现结露现象，导致短路。其功耗为60W-300W，普通电源无法承受。

相变制冷——其原理是利用制冷剂液体（液氮、液体氟里昂等）在超低温下进行气化从而带走热量。通过反复的将制冷剂进行汽化和液化的过程，将产生的热能带走。
　　优点：可以把温度降得非常低
　　缺点：会使主板结露，可能会造成短路；CPU脆性增大；有极高的危险性，会对人身安全造成伤害。

　　通过对上诉几种散热方式的分析，我们不难看出，热管散热相对于以上的散热方式存在的优势：
1.　热阻小，传热快。热管的热导系数是普通金属的100倍以上。
2.　传热方向可逆，不管任何一端都能成为蒸发端和冷凝端。
3.　优良的热响应性。热管内气化的蒸汽能以接近音速的速度传输，从而有效率的提高了导热效果。
4.　结构简单，重量轻，体积小，维护方便。
5.　低功耗、无噪音、符合工业“绿色”的要求。

五、热管在工控界的运用
　　热管技术作为散热界的新宠，目前仍然没有在工控界得到广泛的应用，其主要原因是目前各家厂商主流产品都是以低功耗的CPU为主，而且相对于追求游戏速度以及图象处理的用户来说，工控用户对性能的稳定性、实用性、集成性要求更高，而这些主频相对比较低的低功耗CUP，普通的散热片最多加入嵌入式风扇便能满足散热的需求，因此在目前市场上无法见到使用热管技术的工控主板。
　　但是我们不能不去展望未来，随着社会信息化的不断提高，各种使用嵌入式工业主板的产品都在超着高集成化、高速度化、高品质化、小型化、“绿色”化的方向发展，在提高CUP的同时，如何去解决散热上的高效率以及无风扇的问题，热管技术似乎给了我们一个很好的解决方案，下面就以研扬科技的GENE-6350来探讨一下热管技术的可行性。
　　GENE-6350的规格是146mm x 101.6mm,其CPU使用的是Intel Low Voltage Celeron 400/650MHz,如图6所示。

图6 研扬GENE-6350

　　采用热管必须使用热管专用散热片，其规格是上下架构，我们必须在原有主板的基础上在将普通散热片如图7所示改为热管散热片如图8所示，改进后的主板其主要改变是高度由原来的2CM变为接近5CM，并且会在主板的一方会有热导管的出现。但其长度不会超过2CM，因此从主板的整体架构上来说并不会对客户造成影响。

图7 使用常规散热片的GENE-6350

图8　使用热管后的GENE-6350

六、未来展望
　　随着热管加工工艺的不断改善，其可靠性、安全性、耐用性将会更加提高，而成本和价格会进一步降低，PC市场的普及只是时间上的问题，而我相信工控界也不会袖手旁观，在指日可待的某一天，您会看到使用热管散热方式的嵌入式主板出现在工控领域中。
　　不论是过去、现在还是未来，,研扬是嵌入式系统专家，也是您选择工控产品时最好的合作伙伴。