這個技術發展到現在就為了讓你能愉快地多打幾局遊戲
2020年07月13日13:59

  來源: 中科院物理所

  高考結束了,又到了高三黨買手機的時間。各大電商平台也都開啟了購機優惠活動,我也趁著這個時間也準備換掉已經用了兩年的手機。搜索中我發現,很多手機都說自己使用了液冷散熱技術,打遊戲不容易發燙。不混數碼圈的我看到“液冷散熱”的時候,腦海中首先閃過的是以下這些東西:

冷凝管。圖片來源:Wikipedia
冷凝管。圖片來源:Wikipedia

  不好意思,亂入了。。。不過說到冷凝管,高中的小可愛們還記得這三種冷凝管各自的使用場景不,沒準明年高考就考了。

  我腦海中閃過的其實是下面這種水冷機箱,長得那麼像冷凝管,散熱能力肯定不俗。手機如果用上了,那肯定打什麼遊戲都不帶燙手的。

圖片來源:bilibili
圖片來源:bilibili

  所以手機的液冷散熱莫非就像冷凝管一樣,接上水龍頭,不斷地用流動的自來水散熱?

  沒一會兒我就打消了這個想法,不為別的,太費自來水,妥妥的媽見打。

  為了滿足自己的好奇心,我點進去看了一眼手機的介紹,結果發現,液冷散熱示意圖就是一根銅管。這就是液冷散熱?內心OS:我讀書少,你不要騙我。

  後來查了資料才知道,所謂的液冷散熱原來早就在筆記本電腦中廣泛使用了。手機的液冷散熱就是筆記本電腦中的銅管,它有個更專業的說法——熱管。另外,台式機中的塔式風冷散熱器的散熱塔也用到了熱管,下圖中的銅管就是熱管。

筆記本電腦中的熱管。圖片來源:Wikipedia
筆記本電腦中的熱管。圖片來源:Wikipedia
散熱塔。圖片來源:bilibili
散熱塔。圖片來源:bilibili

  什麼是熱管

  熱管是一種傳熱設備,利用了熱傳導和相變原理,可以有效地在兩個固體界面之間傳遞熱量。

一種熱管的示意圖,利用毛細作用讓液體流回吸熱端
一種熱管的示意圖,利用毛細作用讓液體流回吸熱端

  當熱管的吸熱端被加熱時,在吸熱端的工作液體吸收熱量蒸發成氣體。而熱管放熱端則因為溫度低,工作液體的蒸汽壓低於吸熱端的蒸汽壓,因此吸熱端的氣體將會擴散到放熱端。擴散到放熱端的氣體遇冷凝結成液體,並向外釋放熱量。然後,液體通過毛細作用、離心力或重力返回吸熱端,這就完成了一個完整的循環。

  由此可知,熱管工作時,氣體和液體的流動由不同的力來推動。氣體由氣壓差驅動,而液體則需要根據工作場景,使用適合的回流驅動力。

  重力熱管可以追溯到蒸汽時代,Angier March Perkins和他的兒子Loftus Perkins發明了“ Perkins Tube”,在機車鍋爐和工作烤箱中得到了廣泛的應用。

  基於毛細作用的熱管最早是由通用汽車公司的R。 S。 Gaugler於1942年提出的,並為此申請了專利。但是在那段時間里還不需要結構如此簡單的高效傳熱設備,所以也沒有引起太多關注(可惜沒遇上好時候)。喬治·格羅弗(George Grover)於1963年在洛斯阿拉莫斯國家實驗室獨立開發了基於毛細作用的熱管,他是第一個使用“熱管”一詞的人。

筆記本電腦中使用的熱管,管壁是通過燒結形成的吸液芯,具有多孔結構。圖片來源:Wikipedia
筆記本電腦中使用的熱管,管壁是通過燒結形成的吸液芯,具有多孔結構。圖片來源:Wikipedia

  NASA在二十世紀60年代的熱管開發中發揮了重要作用。因為航天器在太空中,一側被太陽直接照射,溫度很高,而另一側陽光照射不到,溫度很低,影響到航天器的穩定運行。(毛細)熱管具有重量輕,熱通量高以及零功率消耗的特點,並且零重力環境不會對它們的運行產生不利影響(液體回流依靠毛細作用而不需要重力),所以被用來均衡航天器表面的溫度。一些手機液冷散熱的文案會宣稱其使用了航天科技,嗯,這的確是航天科技。

  從理論上講,熱管的熱導率可以在4,000~100,000Wm-1K-1之間。實際上,電子設備用的熱管的熱導率在1,500~50,000Wm-1K-1之間。比固態銅(401Wm-1K-1)和固態鋁(237Wm-1K-1)的熱導率高了不少。

一些常見物質的熱導率。圖片來源:Wikipedia
一些常見物質的熱導率。圖片來源:Wikipedia

  熱管內部的流體需要根據工作溫度的範圍來選擇,因為熱管是依靠內部流體的相變來工作的,工作溫度範圍內應該出現氣相和液相。

  環境溫度低於工作溫度,液體不能蒸發成氣體;而環境溫度高於工作溫度,熱管內就充滿了氣體,無法冷凝。環境溫度過高和過低就相當於只用熱管壁來導熱,這和普通的金屬導熱沒什麼區別。

熱管內工作流體的工作溫度範圍。圖片來源:Wikipedia
熱管內工作流體的工作溫度範圍。圖片來源:Wikipedia

  所以,極低溫(2~4K)會使用液氦,高溫下會使用汞(523~923K)、鈉(873~1473K)甚至銦(2000~3000K)。絕大部分在室溫應用的熱管使用氨(213~373K)、甲醇(283~403K)、乙醇(273~403K)或水(298~573K)作為工作流體。銅/水熱管通常在20~150°C的溫度範圍內運行。

反應堆內部的鈉/鉬熱管
反應堆內部的鈉/鉬熱管

  熱管還能用來做什麼

  熱管畢竟是航天科技,如果只是用來愉快地打遊戲可太大材小用了。

  熱管還被廣泛地用於凍土散熱。凍土是指土壤溫度保持0 ℃以下並出現凍結現象、具有表土呈現多邊形土或石環等凍融蠕動等形態特徵的土壤或岩層 。眾所周知,水的密度比冰大,而凍土中含有許多水分。所以,在冬季,溫度下降,凍土會結冰,體積膨脹;在夏季,溫度升高,凍土會融化,體積收縮。如果凍土上建有建築物,這季節性的膨脹收縮就會嚴重破壞地基,發生安全事故。

  解決問題的方法就是不讓凍土融化,讓它一直凍著,這時候熱管就能派上用場了。我國的青藏鐵路就使用了熱管,鐵路兩旁的那些灰色的棒子就是。筆記本電腦和航天器的熱管是借助毛細作用讓液體從放熱端流回吸熱端,路基上用的則是無芯重力熱管,內部沒有吸液芯,而是借助重力讓液體回流。重力熱管的好處就是熱管可以造得很長。毛細熱管中液體回流距離會受到毛細作用的限製,而重力熱管就不用考慮這個問題。

青藏鐵路的熱管
青藏鐵路的熱管

  冬季,空氣的溫度低於凍土的溫度,凍土中的熱量被源源不斷地傳遞到空氣中,給凍土降溫。夏季,空氣的溫度高於凍土層的溫度,但是空氣中的熱量卻無法反向傳遞到凍土層中。這是因為無芯重力熱管液體的回流依靠的是重力,工作液體在重力作用下彙集於凍土層那一端,而空氣那一端沒有工作液體,也就沒法吸熱,這時候熱管處於不工作狀態。

青藏鐵路熱管的吸熱段和絕熱段埋入地面以下約5m,散熱段露出地面約2m,其中最關鍵的吸熱段則深入到永久凍土最大融化深度之下
青藏鐵路熱管的吸熱段和絕熱段埋入地面以下約5m,散熱段露出地面約2m,其中最關鍵的吸熱段則深入到永久凍土最大融化深度之下

  美國阿拉斯加的輸油管道建在永久凍土層上,為了防止夏季凍土解凍危害管路安全,就在管道兩旁樹立了112000根重力熱管(下圖中棕色的柱子)來給凍土保溫,所用的重力熱管長度在11~12m之間。

建於永凍土上的阿拉斯加輸油管道。圖片來源:Wikipedia
建於永凍土上的阿拉斯加輸油管道。圖片來源:Wikipedia

  更進一步地,現在已經有人提出使用更長的重力熱管提取地熱能,在冬天給室內供暖。

  多說一句,在搜索液冷散熱的時候我發現,現在已經有循環水冷的手機殼了,這才是真·液冷散熱。

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