熱導管技術

紅塵孤鳥

熱導管（Heat Pipe，或稱：熱管）技術已愈來愈普及運用在資訊產品上，為何過去不用而今日要用？原因無他，CPU、GPU的發熱量愈來愈大，同時礙於產品體積的限制，散熱片的體積不允許隨晶片發熱量的增加而對應增大，甚至還為了短小輕薄的討喜設計而限縮機內可用的空間，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，因此必須採行熱導管技術。

當然！除了熱導管外也有其他的散熱技術，如致冷器（也稱：致冷片、熱電致冷器）、水冷循環等，不過致冷器與水冷循環皆屬主動式散熱（Active Cooling），必須動用額外的電力才能發揮散熱效果，相對的熱導管與散熱片一樣，屬被動性散熱（Passive Cooling），不需要電能也能進行散熱，這對行動用的筆記型電腦，以及今日逐漸講究的節能理念下格外受用。

 

▲圖中為熱導管的結構，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，管壁內則有毛細結構，可加速冷凝後的工作流體快速回流到受熱端，而介於受熱與散熱間的一段則稱為絕熱段。

再者，水冷系統由於體積較大，因此多只能用在桌上型系統中，且必須是機內空間夠寬裕才能運用，對於準系統、超薄伺服器、刀鋒伺服器而言則難以使用，反之熱導管的體積嬌小，就連筆記型電腦也能使用。

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品、移動性的產品上。相對的熱導管不用電能，也無易脆問題，加上體積嬌小之故，使其廣受使用。

在資訊領域中，最先使用熱導管技術的產品為筆記型電腦，筆記型電腦體積小、電能有限、且經常移動使用，然筆記型電腦的處理器也愈來愈熱燙，在散熱片與電動風扇都難以因應的情況下，最先採行熱導管技術，此約是1998年、Mobile PentiumⅡ為開端，如今幾乎每一部筆記型電腦都會使用熱導管技術。

進一步的，桌上型電腦的機體也不斷在限縮，但CPU、GPU的發熱度卻不斷上升，因此桌上型電腦成為繼筆記型電腦後，第二個普遍使用熱導管技術的資訊產品，根據統計，平均每一部筆記型電腦會使用上3根的熱導管，而有採用熱導管技術的桌上型電腦，平均也用上2.5根的熱導管。此外工作站、伺服器等其他資訊產品也都將逐步採行。

另外，現在有愈來愈多的視訊繪圖卡也採行熱導管技術，透過熱導管並搭配散熱片，之後再藉由機內的對流散熱或風扇的助力，使繪圖卡可以做到零風扇的設計，熱導管的另一個好處即是靜音，它與散熱片、致冷器一樣並沒有任何的「動件」，相對的電動風扇、水冷系統就有用上馬達的機械動件，不過水冷系統由於是以密閉方式進行運轉，所以沒有風切的噪音問題，與此相同的還有硬碟，硬碟的馬達也是在密閉環境中運轉，所以噪音可以控制、收斂。

正因為熱導管技術日益重要，因此本文以下將針對熱導管進行更多的討論與瞭解。

■熱導管的散熱原理

熱導管本身是一個密閉的管狀容器，且一般為「長條管」型態，容器內裝有少許的「液體」，管的內壁運用技術處理使其具有「毛細結構」。

接著，長條管的一端接近發熱處，使管內的液體受熱，受熱後液體達沸點而汽化、蒸發，蒸發後的氣體朝長管的另一端移動，到達管的另一端後，氣體透過管壁將熱能釋放，釋放熱能的氣體重新回復成液體，液體附著在管壁，而管內壁具有毛細結構，液體運用毛細原理開始往下回流，重新流回長條管的另一端，也就是接近發熱處的位置。如此週而復始，形成一個自然的循環散熱系統。

更簡單說，管內液體經汽化後蒸發，氣體開始以「對流方式」進行散熱，散熱後氣體凝結成液體，冷凝之後以毛細方式再度回流。若以較嚴謹的方式解釋，接近發熱處、進行導熱效果的一端稱為「受熱端、蒸發區」，而熱消散的另一端稱為「散熱端、冷凝區」，管內的液體稱為「工作流體」。

■導熱管的屬性、類別

在基礎原理後，進一步要瞭解更多的技術細節，這包括導管材料的選擇、毛細結構的選擇、工作流體的選擇、管徑決定、管長決定、管壁厚度、毛細結構厚度、蒸發區（或稱：蒸發段）長度、冷凝段長度、介於蒸發與冷凝間的絕熱段長度、以及是否要進行彎管等等。

先就管材而言，管材的要求取向包括：1.不能與管內的毛細結構、工作流體產生化學作用（運作穩定性）。2.熱傳導率要高、熱阻要低（加速散熱）。3.不容易脆化（以防外力遭致導管斷裂）。4.焊接時有較佳的氣密性（加速導熱、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。

接著是毛細結構，事實上熱導管的主要類型區分也在毛細結構，現階段常見的毛細結構有溝槽式、網目式、纖維式、燒結式，其中又以燒結式為最佳，燒結式無論熱導管以何種方位角度放置都可無礙地進行毛細回流，其他的毛細結構則多少仍有導管方位、角度的限制，對行動用產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結構作法，有些管材不能使用燒結方式來實現毛細結構。

再來是工作流體，也可說是導熱介質或冷媒，工作流體必須考慮它的熱傳量、熱阻性、蒸發溫度與凝結溫度、可用的運作溫度範疇，以及跟哪些管材不會發生化學作用。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，因為兩者會起化學作用。同樣的，選擇甲醇（Methanol）為工作流體，那麼管材就不能用鋁。

除此之外，工作流體也要能與毛細結構適切搭配，流體的黏滯係數低，則毛細回流的速度快，如此可更快完成循環，可提升散熱效率，另外流體的表面張力大，進而增加毛細作用力，也一樣有助於快速回流。

值得一提的是，流體注入管內後，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行蒸發，所以多半讓管內以真空、負壓方式進行密閉。就目前而言，熱導管最常用的工作流體為水（Water），至於其他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，水雖是現有最理想的熱導管用流體，但水卻容易與鋁、鐵發生化學反應，所以選擇水為工作流體時，管材方面不能選擇鋁或鐵。

■管徑、管長、管厚等選定

管材、結構、流體選定後，進一步的還要決定管徑、管長、管壁厚度、毛細結構厚度。

首先是管徑，就理論而言，管徑愈大、管內截面積愈大，熱導管的散熱能力也會愈好，不過通常礙於產品機內體積的限制，使得熱導管的管徑無法過大，以最常運用熱導管的筆記型電腦而言，其管徑多數都在3mm（公釐）以下。而桌上型電腦有較寬裕的空間，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內體積而必須有所收斂，有時為了配合機內空間的配置設計，以及盡可能增加管長等因素，會讓熱導管進行角度性的彎管，然而彎管後對氣體的蒸發、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，愈薄愈有助於熱的傳導，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，否則容易導致導管內凹變形（受管外的大氣壓力而造成內壓變形）。

當然，導管能承受多大的外壓，此與管材有密切關係，不過管材也並非隨時都有一定的強度，溫度一旦升高管材強度也會減弱，這時就必須倚賴較厚的管壁來防制內凹變形，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，則管壁必須厚過0.03797mm才行。

另外，毛細結構部分除了選擇網目、燒結等各類型結構外，結構本身的厚度也必須權衡，結構上還有粉末，粉末顆粒的粒徑也必須考慮，還有孔隙度、視密度（apparent density）等，也都會影響毛細回流的速率。

■熱導作用的變體

除了熱導管外，以熱導原理進行散熱，或將小面積、高發熱（多指：裸晶）進行快速熱均配化的，還有熱柱（Heat Column）、熱板（Heat Base）等技術，由此可知，熱導管概念的產品在未來仍有極大的運用發揮空間，這對於電子設計人員而言必須要能善選善用，才能使設計的產品更良善、穩定地運作。

singer

散熱風扇已經大到不能再大了
熱導管技術是不錯的方法
省電 靜音 故障率少
用水冷系統又很麻煩說

matt0918

謝謝提供熱導管的技術參考，
不然我一直以為裡面只是實心銅管勒∼

sujc888

資料非常祥細.....收到謝啦

失心

熱導管技術現在已經相當成熟,各大廠無不以靜音的熱導管作為促銷訴求,無論是華碩或是技嘉,都在熱導管領域有相當的研究,所以下次看到主機板或是顯示卡上面有很大型的鰭片或是散熱片附著管子,別懷疑,那就是熱導管技術,不過那個管子散熱的時候...真的很燙...小弟被燙過....

顯示卡7.80度的熱度真不是蓋的....好痛喔....

tommyy

如此一來，終於可以還大家一個清靜的夜晚了