熱導(dǎo)管技術(shù)基本教戰(zhàn)
任誰都能看出，熱導(dǎo)管（Heat Pipe，或稱：熱管）技術(shù)已愈來愈普及運(yùn)用在信息產(chǎn)品上，為何過去不用而今日要用？原因無他，CPU、GPU的發(fā)熱量愈來愈大，同時礙于產(chǎn)品體積的限制，散熱片的體積不允許隨芯片發(fā)熱量的增加而對應(yīng)增大，甚至還為了短小輕薄的討喜設(shè)計而限縮機(jī)內(nèi)可用的空間，反而使散熱片可用的體積不增反減，在體積有限的情況下，又要提高散熱效率，因此必須采行熱導(dǎo)管技術(shù)。
當(dāng)然！除了熱導(dǎo)管外也有其它的散熱技術(shù)，如致冷器（也稱：致冷片、熱電致冷器）、水冷循環(huán)等，不過致冷器與水冷循環(huán)皆屬主動式散熱（Active Cooling），必須動用額外的電力才能發(fā)揮散熱效果，相對的熱導(dǎo)管與散熱片一樣，屬被動性散熱（Passive Cooling），不需要電能也能進(jìn)行散熱，這對行動用的筆記型計算機(jī)，以及今日逐漸講究的節(jié)能理念下格外受用。
▲圖中為熱導(dǎo)管的結(jié)構(gòu)，左端為受熱端，右端為散熱端，右端散熱端的外部裝有散熱鰭片以加速熱的消散，管壁內(nèi)則有毛細(xì)結(jié)構(gòu)，可加速冷凝后的工作流體快速回流到受熱端，而介于受熱與散熱間的一段則稱為絕熱段。（資料來源：http://www.bmpcoe.org/）
再者，水冷系統(tǒng)由于體積較大，因此多只能用在桌上型系統(tǒng)中，且必須是機(jī)內(nèi)空間夠?qū)捲２拍苓\(yùn)用，對于準(zhǔn)系統(tǒng)、超薄服務(wù)器、刀鋒服務(wù)器而言則難以使用，反之熱導(dǎo)管的體積嬌小，就連筆記型計算機(jī)也能使用。
同樣的，雖然致冷器的體積也很嬌小，但致冷效果的耗用電力相當(dāng)驚人，此外也有易脆的問題，容易因外力而損毀斷裂，因此也不適合用在電池供電的產(chǎn)品、移動性的產(chǎn)品上。相對的熱導(dǎo)管不用電能，也無易脆問題，加上體積嬌小之故，使其廣受使用。
在信息領(lǐng)域中，最先使用熱導(dǎo)管技術(shù)的產(chǎn)品為筆記型計算機(jī)，筆記型計算機(jī)體積小、電能有限、且經(jīng)常移動使用，然筆記型計算機(jī)的處理器也愈來愈熱燙，在散熱片與電動風(fēng)扇都難以因應(yīng)的情況下，最先采行熱導(dǎo)管技術(shù)，此約是1998年、Mobile PentiumⅡ為開端，如今幾乎每一部筆記型計算機(jī)都會使用熱導(dǎo)管技術(shù)。
▲浩鑫（Shuttle）的準(zhǔn)系統(tǒng)桌上型計算機(jī)：SN41G2。圖中可見，SN41G2的機(jī)內(nèi)使用4根熱導(dǎo)管為處理器進(jìn)行散熱，導(dǎo)管受熱端與銅質(zhì)平板（Copper Base）焊接，銅質(zhì)平板則與處理器封裝表面接觸，以傳導(dǎo)處理器所發(fā)出的熱能，熱導(dǎo)管的另一端則用散熱鰭片與電動風(fēng)扇來加速散熱，浩鑫稱此為I.C.E.技術(shù)。（資料來源：http://geekspeak.org/）
進(jìn)一步的，桌上型計算機(jī)的機(jī)體也不斷在限縮，但CPU、GPU的發(fā)熱度卻不斷上升，因此桌上型計算機(jī)成為繼筆記型計算機(jī)后，第二個普遍使用熱導(dǎo)管技術(shù)的信息產(chǎn)品，根據(jù)統(tǒng)計，平均每一部筆記型計算機(jī)會使用上3根的熱導(dǎo)管，而有采用熱導(dǎo)管技術(shù)的桌上型計算機(jī)，平均也用上2.5根的熱導(dǎo)管。此外工作站、服務(wù)器等其它信息產(chǎn)品也都將逐步采行。
另外，現(xiàn)在有愈來愈多的視訊繪圖卡也采行熱導(dǎo)管技術(shù)，透過熱導(dǎo)管并搭配散熱片，之后再藉由機(jī)內(nèi)的對流散熱或風(fēng)扇的助力，使繪圖卡可以做到零風(fēng)扇的設(shè)計，熱導(dǎo)管的另一個好處即是靜音，它與散熱片、致冷器一樣并沒有任何的「動件」，相對的電動風(fēng)扇、水冷系統(tǒng)就有用上馬達(dá)的機(jī)械動件，不過水冷系統(tǒng)由于是以密閉方式進(jìn)行運(yùn)轉(zhuǎn)，所以沒有風(fēng)切的噪音問題，與此相同的還有硬碟，硬碟的馬達(dá)也是在密閉環(huán)境中運(yùn)轉(zhuǎn)，所以噪音可以控制、收斂。
正因為熱導(dǎo)管技術(shù)日益重要，因此本文以下將針對熱導(dǎo)管進(jìn)行更多的討論與了解。
▲各種熱導(dǎo)管（Heat Pipe）、熱柱（Heat Column）的應(yīng)用型態(tài)，管徑從3mm38mm，毛細(xì)結(jié)構(gòu)有網(wǎng)目式或燒結(jié)（粉末）式，長度從3cm到15cm。
熱導(dǎo)管的散熱原理
熱導(dǎo)管本身是一個密閉的管狀容器，且一般為「長條管」型態(tài)，容器內(nèi)裝有少許的「液體」，管的內(nèi)壁運(yùn)用技術(shù)處理使其具有「毛細(xì)結(jié)構(gòu)」。
接著，長條管的一端接近發(fā)熱處，使管內(nèi)的液體受熱，受熱后液體達(dá)沸點而汽化、蒸發(fā)，蒸發(fā)后的氣體朝長管的另一端移動，到達(dá)管的另一端后，氣體透過管壁將熱能釋放，釋放熱能的氣體重新回復(fù)成液體，液體附著在管壁，而管內(nèi)壁具有毛細(xì)結(jié)構(gòu)，液體運(yùn)用毛細(xì)原理開始往下回流，重新流回長條管的另一端，也就是接近發(fā)熱處的位置。如此周而復(fù)始，形成一個自然的循環(huán)散熱系統(tǒng)。
更簡單說，管內(nèi)液體經(jīng)汽化后蒸發(fā)，氣體開始以「對流方式」進(jìn)行散熱，散熱后氣體凝結(jié)成液體，冷凝之后以毛細(xì)方式再度回流。若以較嚴(yán)謹(jǐn)?shù)姆绞浇忉?，接近發(fā)熱處、進(jìn)行導(dǎo)熱效果的一端稱為「受熱端、蒸發(fā)區(qū)」，而熱消散的另一端稱為「散熱端、冷凝區(qū)」，管內(nèi)的液體稱為「工作流體」。
▲熱導(dǎo)管受熱端（段）的近處拍攝，圖中可見受熱端與銅質(zhì)平板相連（透過焊接），銅質(zhì)平板部分再與處理器封裝表面接觸傳導(dǎo)熱能，其中封裝與平板間也會使用上熱導(dǎo)膏（或稱：散熱膏）使接觸性熱傳導(dǎo)更快速。（資料來源：http://www.resnet.northwestern.edu/）
■導(dǎo)熱管的屬性、類別
在基礎(chǔ)原理后，進(jìn)一步要了解更多的技術(shù)細(xì)節(jié)，這包括導(dǎo)管材料的選擇、毛細(xì)結(jié)構(gòu)的選擇、工作流體的選擇、管徑?jīng)Q定、管長決定、管壁厚度、毛細(xì)結(jié)構(gòu)厚度、蒸發(fā)區(qū)（或稱：蒸發(fā)段）長度、冷凝段長度、介于蒸發(fā)與冷凝間的絕熱段長度、以及是否要進(jìn)行彎管等等。
先就管材而言，管材的要求取向包括：1.不能與管內(nèi)的毛細(xì)結(jié)構(gòu)、工作流體產(chǎn)生化學(xué)作用（運(yùn)作穩(wěn)定性）。2.熱傳導(dǎo)率要高、熱阻要低（加速散熱）。3.不容易脆化（以防外力遭致導(dǎo)管斷裂）。4.焊接時有較佳的氣密性（加速導(dǎo)熱、散熱）。以此來看，最合適的管材多半為銅、鋁，目前尤其以銅、無氧銅為大宗。
接著是毛細(xì)結(jié)構(gòu)，事實上熱導(dǎo)管的主要類型區(qū)分也在毛細(xì)結(jié)構(gòu)，現(xiàn)階段常見的毛細(xì)結(jié)構(gòu)有溝槽式、網(wǎng)目式、纖維式、燒結(jié)式，其中又以燒結(jié)式為最佳，燒結(jié)式無論熱導(dǎo)管以何種方位角度放置都可無礙地進(jìn)行毛細(xì)回流，其它的毛細(xì)結(jié)構(gòu)則多少仍有導(dǎo)管方位、角度的限制，對行動用產(chǎn)品而言格外重視這項特性。此外，不同的管材也要搭配不同的毛細(xì)結(jié)構(gòu)作法，有些管材不能使用燒結(jié)方式來實現(xiàn)毛細(xì)結(jié)構(gòu)。
再來是工作流體，也可說是導(dǎo)熱介質(zhì)或冷媒，工作流體必須考慮它的熱傳量、熱阻性、蒸發(fā)溫度與凝結(jié)溫度、可用的運(yùn)作溫度范疇，以及跟哪里些管材不會發(fā)生化學(xué)作用。舉例來說，若以氨（Ammonia）為工作流體，則管材方面就不能選擇用銅，因為兩者會起化學(xué)作用。同樣的，選擇甲醇（Methanol）為工作流體，那么管材就不能用鋁。
除此之外，工作流體也要能與毛細(xì)結(jié)構(gòu)適切搭配，流體的黏滯系數(shù)低，則毛細(xì)回流的速度快，如此可更快完成循環(huán)，可提升散熱效率，另外流體的表面張力大，進(jìn)而增加毛細(xì)作用力，也一樣有助于快速回流。
值得一提的是，流體注入管內(nèi)后，為了讓流體有更低的沸點，使其只要稍受些許熱溫就能夠開始進(jìn)行蒸發(fā)，所以多半讓管內(nèi)以真空、負(fù)壓方式進(jìn)行密閉。就目前而言，熱導(dǎo)管最常用的工作流體為水（Water），至于其它可選且常見的工作流體還有甲醇（Methanol）、乙醇（Ethanol）、丙酮（Acetone）、以及庚烷（Heptane）等。
要注意的是，水雖是現(xiàn)有最理想的熱導(dǎo)管用流體，但水卻容易與鋁、鐵發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，所以選擇水為工作流體時，管材方面不能選擇鋁或鐵。
▲「熱導(dǎo)管＋散熱鰭片＋電動風(fēng)扇」已是常見的處理器散熱作法，圖中可見熱導(dǎo)管將右處平板的熱以彎管方式導(dǎo)往左處的散熱鰭片，而平板與鰭片間的電動風(fēng)扇則向散熱片吹拂，將熱氣向外吹散。（資料來源：http://www.heatsink-guide.com/）
■管徑、管長、管厚等選定
管材、結(jié)構(gòu)、流體選定后，進(jìn)一步的還要決定管徑、管長、管壁厚度、毛細(xì)結(jié)構(gòu)厚度。
首先是管徑，就理論而言，管徑愈大、管內(nèi)截面積愈大，熱導(dǎo)管的散熱能力也會愈好，不過通常礙于產(chǎn)品機(jī)內(nèi)體積的限制，使得熱導(dǎo)管的管徑無法過大，以最常運(yùn)用熱導(dǎo)管的筆記型計算機(jī)而言，其管徑多數(shù)都在3mm（公厘）以下。而桌上型計算機(jī)有較寬裕的空間，通常使用6mm、8mm以上的管徑。
同樣的，管長方面也是愈長愈能增加散熱力，然而此方面也同樣受機(jī)內(nèi)體積而必須有所收斂，有時為了配合機(jī)內(nèi)空間的配置設(shè)計，以及盡可能增加管長等因素，會讓熱導(dǎo)管進(jìn)行角度性的彎管，然而彎管后對氣體的蒸發(fā)、液體的回流等也會有速率上的影響，這些都必須加以考慮。
除了管徑、管長外，管壁厚度也必須考慮，原則上管壁愈薄愈好，愈薄愈有助于熱的傳導(dǎo)，不過管壁畢竟要承受外界的一大氣壓力（1atm）的壓力差，所以也不可能不斷薄化，否則容易導(dǎo)致導(dǎo)管內(nèi)凹變形（受管外的大氣壓力而造成內(nèi)壓變形）。
當(dāng)然，導(dǎo)管能承受多大的外壓，此與管材有密切關(guān)系，不過管材也并非隨時都有一定的強(qiáng)度，溫度一旦升高管材強(qiáng)度也會減弱，這時就必須倚賴較厚的管壁來防制內(nèi)凹變形，就一般來說，以純銅做為管材，在受熱100℃以下時，建議的管壁厚度必須是管徑的1/79以上，若以前述的管徑3mm為準(zhǔn)，則管壁必須厚過0.03797mm才行。
另外，毛細(xì)結(jié)構(gòu)部分除了選擇網(wǎng)目、燒結(jié)等各類型結(jié)構(gòu)外，結(jié)構(gòu)本身的厚度也必須權(quán)衡，結(jié)構(gòu)上還有粉末，粉末顆粒的粒徑也必須考慮，還有孔隙度、視密度（apparent density）等，也都會影響毛細(xì)回流的速率。
熱導(dǎo)作用的變體
除了熱導(dǎo)管外，以熱導(dǎo)原理進(jìn)行散熱，或?qū)⑿∶娣e、高發(fā)熱（多指：裸晶）進(jìn)行快速熱均配化的，還有熱柱（Heat Column）、熱板（Heat Base）等技術(shù)，由此可知，熱導(dǎo)管概念的產(chǎn)品在未來仍有極大的運(yùn)用發(fā)揮空間，這對于電子設(shè)計人員而言必須要能善選善用，才能使設(shè)計的產(chǎn)品更良善、穩(wěn)定地運(yùn)作。
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