工業(yè)散熱的新趨勢(shì)——熱管
自從摩爾定律被證實(shí)后，半導(dǎo)體的工藝迅猛發(fā)展，讓我們一次次的去挑戰(zhàn)心跳的極限，但是同樣帶來(lái)的是心跳的溫度。傳統(tǒng)的散熱片加風(fēng)扇的已經(jīng)很難滿足工業(yè)級(jí)產(chǎn)品日益苛刻的散熱要求以及客戶對(duì)無(wú)風(fēng)扇技術(shù)的要求，工控界又面臨著新一輪的挑戰(zhàn)，面對(duì)著熱管技術(shù)開(kāi)始對(duì)民用PC的滲透，工業(yè)界又會(huì)面臨著什么樣的選擇？但不管將來(lái)的路會(huì)怎么走，我們首先應(yīng)該去把熱管的神秘面紗揭開(kāi)，去細(xì)致的了解它的一切，究竟它能用在我們工控的領(lǐng)域么？
一、熱管的歷史
熱管，英文名Heat Pipe，又名熱導(dǎo)管或超導(dǎo)管。美國(guó)通用發(fā)電機(jī)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(xué)家George M．Grover第一個(gè)發(fā)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(gè)世紀(jì)70年代后，熱管才由理論階段進(jìn)入應(yīng)用階段，但由于技術(shù)的不成熟以及高昂的成本，當(dāng)時(shí)使用范圍僅僅限制在航天、核電等高端技術(shù)領(lǐng)域。進(jìn)入80年代后，隨著技術(shù)的不斷完善，以及成本的降低，熱管技術(shù)開(kāi)始廣泛的進(jìn)入民用工業(yè)，但是僅僅限于大型工業(yè)設(shè)備以及生產(chǎn)上。進(jìn)入90年代，熱管開(kāi)始朝著微型化、高效化發(fā)展，它的目標(biāo)瞄準(zhǔn)了PC這個(gè)巨大的市場(chǎng)。進(jìn)入21世紀(jì)，當(dāng)它真正的擺在我們的面前的時(shí)候，我們不禁要問(wèn)，它究竟是怎樣工作的呢？
二、熱管的工作原理
熱管的簡(jiǎn)單工作原理如圖1。從熱力學(xué)的角度看，物體的吸熱、放熱是相對(duì)的，只要有溫度差存在，就必然出現(xiàn)熱從高溫處向低溫處傳遞的現(xiàn)象，有差別的只是傳導(dǎo)速度。熱傳遞有3種方式：輻射、對(duì)流、傳導(dǎo)，其中熱傳導(dǎo)最快。熱管一端受熱時(shí)，管內(nèi)工質(zhì)汽化，從熱源吸收汽化熱，汽化后蒸汽向另一端流動(dòng)并遇冷凝結(jié)，向散熱區(qū)放出潛熱。冷凝液籍毛細(xì)力和重力作用回流，繼續(xù)受熱汽化。這樣往復(fù)循環(huán)將大量熱量從加熱區(qū)傳遞到散熱區(qū)。由于熱管內(nèi)熱量傳遞是通過(guò)工質(zhì)相變過(guò)程進(jìn)行的，因此其導(dǎo)熱能力比金屬高幾百倍。這種極佳的導(dǎo)熱性能，可以使熱量不會(huì)在發(fā)熱部位堆積，而是均勻地散發(fā)到了散熱器的各個(gè)散熱翅片上，極大地提高了散熱片的導(dǎo)熱性能。同時(shí)我們注意到，熱管本身是不具備散熱能力的，它只能起到導(dǎo)熱的功能，因此，熱管仍然需要散熱片的配合才能實(shí)現(xiàn)散熱功能。
圖1 熱管工作原理
三、熱管的構(gòu)造
熱管的構(gòu)造從縱向分可分為蒸發(fā)段、絕熱段以及冷凝段三個(gè)工作段。蒸發(fā)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(nèi)的液體工質(zhì)，使其蒸發(fā)。絕熱管主要是負(fù)責(zé)傳輸氣態(tài)工質(zhì)，并且還負(fù)擔(dān)著與外界隔熱的作用。冷凝段的作用是使氣態(tài)的工質(zhì)冷凝，并把熱量通過(guò)管壁和散熱器傳到管外。
而我們?nèi)绻褵峁軓膹较蚱饰隹?，我們可以把熱管分成管殼、吸液芯和流體通道三個(gè)部分，如圖2所示。管殼由于必須承受熱管內(nèi)部的真空高壓，并且還必須更小的熱阻，因此對(duì)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(zhì)，它緊貼于熱管內(nèi)壁，利用液體的表面張力從凝結(jié)段將液體送回到蒸發(fā)段。吸液芯的材質(zhì)主要是由金屬網(wǎng)、泡沫材料、毛氈、纖維等多孔物質(zhì)組成。熱管的中間部分作為蒸氣傳輸通道。作為工作介質(zhì)，一般選擇與吸液芯有良好的相容性，并且導(dǎo)熱性、穩(wěn)定性、汽化性、安全性高的液態(tài)介質(zhì)。目前主要使用的是銅-水或者鋁-丙酮組合。
圖2 熱管構(gòu)造圖
四、熱管與其它散熱方案的比較
除了熱管，目前PC領(lǐng)域主要的散熱方式主要有風(fēng)冷、水冷、半導(dǎo)體散熱、相變制冷等。下面我們就這幾種散熱方式進(jìn)行簡(jiǎn)單的分析。
風(fēng)冷散熱 ——這是目前PC上最普遍的散熱方式，利用通過(guò)散熱片與CPU的核心相接觸將熱傳導(dǎo)出來(lái)，然后再通過(guò)風(fēng)扇轉(zhuǎn)動(dòng)，來(lái)加強(qiáng)空氣的流動(dòng)，通過(guò)強(qiáng)制對(duì)流的方式將散熱片上的熱傳至周圍的環(huán)境。其工作圖如圖3所示：
圖3風(fēng)冷散熱工作原理圖
優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，價(jià)格低廉，安全可靠，技術(shù)成熟。
缺點(diǎn)：降溫的效果有限，并不能達(dá)到令人滿意的程度，并且具有噪音，風(fēng)扇的使用壽命也有限制。
水冷散熱——其原理是利用水泵驅(qū)動(dòng)水流經(jīng)熱源，進(jìn)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(yōu)點(diǎn)：散熱效果非常優(yōu)秀，是風(fēng)冷效果所不能比擬的。因?yàn)榧词故巧嵝首罡叩臏u輪風(fēng)扇的溫度比它還要高10度呢；沒(méi)有風(fēng)扇，不會(huì)振動(dòng)。
缺點(diǎn)：需要良好的通風(fēng)環(huán)境，并且體積大安裝和維護(hù)不方便，容易滴漏、安全性不高。
半導(dǎo)體散熱——半導(dǎo)體散熱工作原理是利用帕爾特效應(yīng)，在冷端將熱能轉(zhuǎn)化為電能，電能通過(guò)導(dǎo)體傳輸?shù)嚼涠?，在熱端再將電能轉(zhuǎn)化為熱能，其原理圖如圖5所示：
圖5半導(dǎo)體散熱工作原理圖
優(yōu)點(diǎn):能使溫度降到非常理想的室溫以下；并且可以通過(guò)使用閉環(huán)溫控電路精確調(diào)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(huì)對(duì)CPU有磨損；使用壽命長(zhǎng)；工作的時(shí)候不產(chǎn)生噪音
缺點(diǎn)：半導(dǎo)體熱端的最高溫度不能超過(guò)60度，否則容易燒毀，并且冷端容易出現(xiàn)結(jié)露現(xiàn)象，導(dǎo)致短路。其功耗為60W-300W，普通電源無(wú)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(jìn)行氣化從而帶走熱量。通過(guò)反復(fù)的將制冷劑進(jìn)行汽化和液化的過(guò)程，將產(chǎn)生的熱能帶走。
優(yōu)點(diǎn)：可以把溫度降得非常低
缺點(diǎn)：會(huì)使主板結(jié)露，可能會(huì)造成短路；CPU脆性增大；有極高的危險(xiǎn)性，會(huì)對(duì)人身安全造成傷害。
通過(guò)對(duì)上訴幾種散熱方式的分析，我們不難看出，熱管散熱相對(duì)于以上的散熱方式存在的優(yōu)勢(shì)：
1. 熱阻小，傳熱快。熱管的熱導(dǎo)系數(shù)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(fā)端和冷凝端。
3. 優(yōu)良的熱響應(yīng)性。熱管內(nèi)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(dǎo)熱效果。
4. 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，重量輕，體積小，維護(hù)方便。
5. 低功耗、無(wú)噪音、符合工業(yè)“綠色”的要求。
五、熱管在工控界的運(yùn)用
熱管技術(shù)作為散熱界的新寵，目前仍然沒(méi)有在工控界得到廣泛的應(yīng)用，其主要原因是目前各家廠商主流產(chǎn)品都是以低功耗的CPU為主，而且相對(duì)于追求游戲速度以及圖象處理的用戶來(lái)說(shuō)，工控用戶對(duì)性能的穩(wěn)定性、實(shí)用性、集成性要求更高，而這些主頻相對(duì)比較低的低功耗CUP，普通的散熱片最多加入嵌入式風(fēng)扇便能滿足散熱的需求，因此在目前市場(chǎng)上無(wú)法見(jiàn)到使用熱管技術(shù)的工控主板。
但是我們不能不去展望未來(lái)，隨著社會(huì)信息化的不斷提高，各種使用嵌入式工業(yè)主板的產(chǎn)品都在超著高集 成化、高速度化、高品質(zhì)化、小型化、“綠色”化的方向發(fā)展，在提高CUP的同時(shí)，如何去解決散熱上的高效率以及無(wú)風(fēng)扇的問(wèn)題，熱管技術(shù)似乎給了我們一個(gè)很好的解決方案，下面就以研揚(yáng)科技的GENE-6350來(lái)探討一下熱管技術(shù)的可行性。
GENE-6350的規(guī)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(guī)格是上下架構(gòu)，我們必須在原有主板的基礎(chǔ)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(jìn)后的主板其主要改變是高度由原來(lái)的2CM變?yōu)榻咏?CM，并且會(huì)在主板的一方會(huì)有熱導(dǎo)管的出現(xiàn)。但其長(zhǎng)度不會(huì)超過(guò)2CM，因此從主板的整體架構(gòu)上來(lái)說(shuō)并不會(huì)對(duì)客戶造成影響。
六、未來(lái)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(huì)更加提高，而成本和價(jià)格會(huì)進(jìn)一步降低，PC市場(chǎng)的普及只是時(shí)間上的問(wèn)題，而我相信工控界也不會(huì)袖手旁觀，在指日可待的某一天，您會(huì)看到使用熱管散熱方式的嵌入式主板出現(xiàn)在工控領(lǐng)域中。
不論是過(guò)去、現(xiàn)在還是未來(lái)，,研揚(yáng)是嵌入式系統(tǒng)專家，也是您選擇工控產(chǎn)品時(shí)最好的合作伙伴。