热导管技术基本教战

任谁都能看出，热导管（Heat Pipe，或称：热管）技术已愈来愈普及运用在资讯产品上，为何过去不用而今日要用？原因无他，CPU、GPU的发热量愈来愈大，同时碍于产品体积的限制，散热片的体积不允许随晶片发热量的增加而对应增大，甚至还为了短小轻薄的讨喜设计而限缩机内可用的空间，反而使散热片可用的体积不增反减，在体积有限的情况下，又要提高散热效率，因此必须採行热导管技术。

　当然！除了热导管外也有其他的散热技术，如致冷器（也称：致冷片、热电致冷器）、水冷循环等，不过致冷器与水冷循环皆属主动式散热（Active Cooling），必须动用额外的电力才能发挥散热效果，相对的热导管与散热片一样，属被动性散热（Passive Cooling），不需要电能也能进行散热，这对行动用的笔记型电脑，以及今日逐渐讲究的节能理念下格外受用。

　

▲图中为热导管的结构，左端为受热端，右端为散热端，右端散热端的外部装有散热鳍片以加速热的消散，管壁内则有毛细结构，可加速冷凝后的工作流体快速回流到受热端，而介于受热与散热间的一段则称为绝热段。

　再者，水冷系统由于体积较大，因此多只能用在桌上型系统中，且必须是机内空间够宽裕才能运用，对于准系统、超薄伺服器、刀锋伺服器而言则难以使用，反之热导管的体积娇小，就连笔记型电脑也能使用。

　同样的，虽然致冷器的体积也很娇小，但致冷效果的耗用电力相当惊人，此外也有易脆的问题，容易因外力而损毁断裂，因此也不适合用在电池供电的产品、移动性的产品上。相对的热导管不用电能，也无易脆问题，加上体积娇小之故，使其广受使用。

　在资讯领域中，最先使用热导管技术的产品为笔记型电脑，笔记型电脑体积小、电能有限、且经常移动使用，然笔记型电脑的处理器也愈来愈热烫，在散热片与电动风扇都难以因应的情况下，最先采行热导管技术，此约是1998年、Mobile PentiumⅡ为开端，如今几乎每一部笔记型电脑都会使用热导管技术。

　

▲浩鑫（Shuttle）的准系统桌上型电脑：SN41G2。图中可见，SN41G2的机内使用4根热导管为处理器进行散热，导管受热端与铜质平板（Copper Base）焊接，铜质平板则与处理器封装表面接触，以传导处理器所发出的热能，热导管的另一端则用散热鳍片与电动风扇来加速散热，浩鑫称此为I.C.E.技术。

　进一步的，桌上型电脑的机体也不断在限缩，但CPU、GPU的发热度却不断上升，因此桌上型电脑成为继笔记型电脑后，第二个普遍使用热导管技术的资讯产品，根据统计，平均每一部笔记型电脑会使用上3根的热导管，而有採用热导管技术的桌上型电脑，平均也用上2.5根的热导管。此外工作站、伺服器等其他资讯产品也都将逐步採行。

　另外，现在有愈来愈多的视讯绘图卡也采行热导管技术，透过热导管并搭配散热片，之后再藉由机内的对流散热或风扇的助力，使绘图卡可以做到零风扇的设计，热导管的另一个好处即是静音，它与散热片、致冷器一样并没有任何的「动件」，相对的电动风扇、水冷系统就有用上马达的机械动件，不过水冷系统由于是以密闭方式进行运转，所以没有风切的噪音问题，与此相同的还有硬碟，硬碟的马达也是在密闭环境中运转，所以噪音可以控制、收敛。

　正因为热导管技术日益重要，因此本文以下将针对热导管进行更多的讨论与瞭解。

　

▲各种热导管（Heat Pipe）、热柱（Heat Column）的应用型态，管径从3mm∼38mm，毛细结构有网目式或烧结（粉末）式，长度从3cm到15cm。

　■热导管的散热原理

　热导管本身是一个密闭的管状容器，且一般为「长条管」型态，容器内装有少许的「液体」，管的内壁运用技术处理使其具有「毛细结构」。

　接着，长条管的一端接近发热处，使管内的液体受热，受热后液体达沸点而汽化、蒸发，蒸发后的气体朝长管的另一端移动，到达管的另一端后，气体透过管壁将热能释放，释放热能的气体重新回復成液体，液体附着在管壁，而管内壁具有毛细结构，液体运用毛细原理开始往下回流，重新流回长条管的另一端，也就是接近发热处的位置。如此週而復始，形成一个自然的循环散热系统。

　更简单说，管内液体经汽化后蒸发，气体开始以「对流方式」进行散热，散热后气体凝结成液体，冷凝之后以毛细方式再度回流。若以较严谨的方式解释，接近发热处、进行导热效果的一端称为「受热端、蒸发区」，而热消散的另一端称为「散热端、冷凝区」，管内的液体称为「工作流体」。

　

▲热导管受热端（段）的近处拍摄，图中可见受热端与铜质平板相连（透过焊接），铜质平板部分再与处理器封装表面接触传导热能，其中封装与平板间也会使用上热导膏（或称：散热膏）使接触性热传导更快速。

　■导热管的属性、类别

　在基础原理后，进一步要瞭解更多的技术细节，这包括导管材料的选择、毛细结构的选择、工作流体的选择、管径决定、管长决定、管壁厚度、毛细结构厚度、蒸发区（或称：蒸发段）长度、冷凝段长度、介于蒸发与冷凝间的绝热段长度、以及是否要进行弯管等等。

　先就管材而言，管材的要求取向包括：1.不能与管内的毛细结构、工作流体产生化学作用（运作稳定性）。2.热传导率要高、热阻要低（加速散热）。3.不容易脆化（以防外力遭致导管断裂）。4.焊接时有较佳的气密性（加速导热、散热）。以此来看，最合适的管材多半为铜、铝，目前尤其以铜、无氧铜为大宗。

　接着是毛细结构，事实上热导管的主要类型区分也在毛细结构，现阶段常见的毛细结构有沟槽式、网目式、纤维式、烧结式，其中又以烧结式为最佳，烧结式无论热导管以何种方位角度放置都可无碍地进行毛细回流，其他的毛细结构则多少仍有导管方位、角度的限制，对行动用产品而言格外重视这项特性。此外，不同的管材也要搭配不同的毛细结构作法，有些管材不能使用烧结方式来实现毛细结构。

　再来是工作流体，也可说是导热介质或冷媒，工作流体必须考虑它的热传量、热阻性、蒸发温度与凝结温度、可用的运作温度范畴，以及跟哪些管材不会发生化学作用。举例来说，若以氨（Ammonia）为工作流体，则管材方面就不能选择用铜，因为两者会起化学作用。同样的，选择甲醇（Methanol）为工作流体，那么管材就不能用铝。

　除此之外，工作流体也要能与毛细结构适切搭配，流体的黏滞系数低，则毛细回流的速度快，如此可更快完成循环，可提升散热效率，另外流体的表面张力大，进而增加毛细作用力，也一样有助于快速回流。

　值得一提的是，流体注入管内后，为了让流体有更低的沸点，使其只要稍受些许热温就能够开始进行蒸发，所以多半让管内以真空、负压方式进行密闭。就目前而言，热导管最常用的工作流体为水（Water），至于其他可选且常见的工作流体还有甲醇（Methanol）、乙醇（Ethanol）、丙酮（Acetone）、以及庚烷（Heptane）等。

　要注意的是，水虽是现有最理想的热导管用流体，但水却容易与铝、铁发生化学反应，所以选择水为工作流体时，管材方面不能选择铝或铁。

　

▲「热导管＋散热鳍片＋电动风扇」已是常见的处理器散热作法，图中可见热导管将右处平板的热以弯管方式导往左处的散热鳍片，而平板与鳍片间的电动风扇则向散热片吹拂，将热气向外吹散。

　■管径、管长、管厚等选定

　管材、结构、流体选定后，进一步的还要决定管径、管长、管壁厚度、毛细结构厚度。

　首先是管径，就理论而言，管径愈大、管内截面积愈大，热导管的散热能力也会愈好，不过通常碍于产品机内体积的限制，使得热导管的管径无法过大，以最常运用热导管的笔记型电脑而言，其管径多数都在3mm（公釐）以下。而桌上型电脑有较宽裕的空间，通常使用6mm、8mm以上的管径。

　同样的，管长方面也是愈长愈能增加散热力，然而此方面也同样受机内体积而必须有所收敛，有时为了配合机内空间的配置设计，以及尽可能增加管长等因素，会让热导管进行角度性的弯管，然而弯管后对气体的蒸发、液体的回流等也会有速率上的影响，这些都必须加以考虑。

　除了管径、管长外，管壁厚度也必须考虑，原则上管壁愈薄愈好，愈薄愈有助于热的传导，不过管壁毕竟要承受外界的一大气压力（1atm）的压力差，所以也不可能不断薄化，否则容易导致导管内凹变形（受管外的大气压力而造成内压变形）。

　当然，导管能承受多大的外压，此与管材有密切关系，不过管材也并非随时都有一定的强度，温度一旦升高管材强度也会减弱，这时就必须倚赖较厚的管壁来防制内凹变形，就一般来说，以纯铜做为管材，在受热100℃以下时，建议的管壁厚度必须是管径的1/79以上，若以前述的管径3mm为准，则管壁必须厚过0.03797mm才行。

　另外，毛细结构部分除了选择网目、烧结等各类型结构外，结构本身的厚度也必须权衡，结构上还有粉末，粉末颗粒的粒径也必须考虑，还有孔隙度、视密度（apparent density）等，也都会影响毛细回流的速率。

　■热导作用的变体

　除了热导管外，以热导原理进行散热，或将小面积、高发热（多指：裸晶）进行快速热均配化的，还有热柱（Heat Column）、热板（Heat Base）等技术，由此可知，热导管概念的产品在未来仍有极大的运用发挥空间，这对于电子设计人员而言必须要能善选善用，才能使设计的产品更良善、稳定地运作。

　

▲另一款「热导管＋散热鳍片＋电动风扇」的合一性散热器，此一散热器运用弯管方式来增加热导管的整体长度，且散热鳍片方面用的是与导管一样的铜质，如此焊接时能有较高的密合，使热传导更快速。