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工业散热的新趋势——热管

供稿:AAEON—研扬科技(苏州)有限公司 2005/1/5 16:27:00

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  • 关键词: 研扬 aaeon 技术
  • 摘要:自从摩尔定律被证实后,半导体的工艺迅猛发展,让我们一次次的去挑战心跳的极限,但是同样带来的是心跳的温度。传统的散热片加风扇的已经很难满足工业级产品日益苛刻的散热要求以及客户对无风扇技术的要求,工控界又面临着新一轮的挑战,面对着热管技术开始对民用PC的渗透,工业界又会面临着什么样的选择?但不管将来的路会怎么走,我们首先应该去把热管的神秘面纱揭开,去细致的了解它的一切,究竟它能用在我们工控的领域么?

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
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
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
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
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
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CPU,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
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
图7 使用常规散热片的GENE-6350

图8
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。

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