马博体育网页版-这个技术发展到现在就为了让你能愉快地多打几局游戏

  来源: 中科院物理所

  高考结束了,又到了高三党买手机的时间。各大电商平台也都开启了购机优惠活动,我也趁着这个时间也准备换掉已经用了两年的手机。搜索中我发现,很多手机都说自己使用了液冷散热技术,打游戏不容易发烫。不混数码圈的我看到“液冷散热”的时候,脑海中首先闪过的是以下这些东西:

冷凝管。图片来源:Wikipedia

  不好意思,乱入了。。。不过说到冷凝管,高中的小可爱们还记得这三种冷凝管各自的使用场景不,没准明年高考就考了。

  我脑海中闪过的其实是下面这种水冷机箱,长得那么像冷凝管,散热能力肯定不俗。手机如果用上了,那肯定打啥游戏都不带烫手的。

图片来源:bilibili

  所以手机的液冷散热莫非就像冷凝管一样,接上水龙头,不断地用流动的自来水散热?

  没一会儿我就打消了这个想法,不为别的,太费自来水,妥妥的妈见打。

  为了满足自己的好奇心,我点进去看了一眼手机的介绍,结果发现,液冷散热示意图就是一根铜管。这就是液冷散热?内心OS:我读书少,你不要骗我。

  后来查了资料才知道,所谓的液冷散热原来早就在笔记本电脑中广泛使用了。手机的液冷散热就是笔记本电脑中的铜管,它有个更专业的说法——热管。另外,台式机中的塔式风冷散热器的散热塔也用到了热管,下图中的铜管就是热管。

笔记本电脑中的热管。图片来源:Wikipedia
散热塔。图片来源:bilibili

  什么是热管 

  热管是一种传热设备,利用了热传导和相变原理,可以有效地在两个固体界面之间传递热量。

一种热管的示意图,利用毛细作用让液体流回吸热端

  当热管的吸热端被加热时,在吸热端的工作液体吸收热量蒸发成气体。而热管放热端则因为温度低,工作液体的蒸汽压低于吸热端的蒸汽压,因此吸热端的气体将会扩散到放热端。扩散到放热端的气体遇冷凝结成液体,并向外释放热量。然后,液体通过毛细作用、离心力或重力返回吸热端,这就完成了一个完整的循环。

  由此可知,热管工作时,气体和液体的流动由不同的力来推动。气体由气压差驱动,而液体则需要根据工作场景,使用适合的回流驱动力。

  重力热管可以追溯到蒸汽时代,Angier March Perkins和他的儿子Loftus Perkins发明了“ Perkins Tube”,在机车锅炉和工作烤箱中得到了广泛的应用。

  基于毛细作用的热管最早是由通用汽车公司的R。 S。 Gaugler于1942年提出的,并为此申请了专利。但是在那段时间里还不需要结构如此简单的高效传热设备,所以也没有引起太多关注(可惜没遇上好时候)。乔治·格罗弗(George Grover)于1963年在洛斯阿拉莫斯国家实验室独立开发了基于毛细作用的热管,他是第一个使用“热管”一词的人。

笔记本电脑中使用的热管,管壁是通过烧结形成的吸液芯,具有多孔结构。图片来源:Wikipedia

  NASA在二十世纪60年代的热管开发中发挥了重要作用。因为航天器在太空中,一侧被太阳直接照射,温度很高,而另一侧阳光照射不到,温度很低,影响到航天器的稳定运行。(毛细)热管具有重量轻,热通量高以及零功率消耗的特点,并且零重力环境不会对它们的运行产生不利影响(液体回流依靠毛细作用而不需要重力),所以被用来均衡航天器表面的温度。一些手机液冷散热的文案会宣称其使用了航天科技,嗯,这的确是航天科技。

  从理论上讲,热管的热导率可以在4,000~100,000Wm-1K-1之间。实际上,电子设备用的热管的热导率在1,500~50,000Wm-1K-1之间。比固态铜(401Wm-1K-1)和固态铝(237Wm-1K-1)的热导率高了不少。

一些常见物质的热导率。图片来源:Wikipedia

  热管内部的流体需要根据工作温度的范围来选择,因为热管是依靠内部流体的相变来工作的,工作温度范围内应该出现气相和液相。

  环境温度低于工作温度,液体不能蒸发成气体;而环境温度高于工作温度,热管内就充满了气体,无法冷凝。环境温度过高和过低就相当于只用热管壁来导热,这和普通的金属导热没什么区别。

热管内工作流体的工作温度范围。图片来源:Wikipedia

  所以,极低温(2~4K)会使用液氦,高温下会使用汞(523~923K)、钠(873~1473K)甚至铟(2000~3000K)。绝大部分在室温应用的热管使用氨(213~373K)、甲醇(283~403K)、乙醇(273~403K)或水(298~573K)作为工作流体。铜/水热管通常在20~150°C的温度范围内运行。

反应堆内部的钠/钼热管

  热管还能用来做什么 

  热管毕竟是航天科技,如果只是用来愉快地打游戏可太大材小用了。

  热管还被广泛地用于冻土散热。冻土是指土壤温度保持0 ℃以下并出现冻结现象、具有表土呈现多边形土或石环等冻融蠕动等形态特征的土壤或岩层 。众所周知,水的密度比冰大,而冻土中含有许多水分。所以,在冬季,温度下降,冻土会结冰,体积膨胀;在夏季,温度升高,冻土会融化,体积收缩。如果冻土上建有建筑物,这季节性的膨胀收缩就会严重破坏地基,发生安全事故。

  解决问题的方法就是不让冻土融化,让它一直冻着,这时候热管就能派上用场了。我国的青藏铁路就使用了热管,铁路两旁的那些灰色的棒子就是。笔记本电脑和航天器的热管是借助毛细作用让液体从放热端流回吸热端,路基上用的则是无芯重力热管,内部没有吸液芯,而是借助重力让液体回流。重力热管的好处就是热管可以造得很长。毛细热管中液体回流距离会受到毛细作用的限制,而重力热管就不用考虑这个问题。

青藏铁路的热管

  冬季,空气的温度低于冻土的温度,冻土中的热量被源源不断地传递到空气中,给冻土降温。夏季,空气的温度高于冻土层的温度,但是空气中的热量却无法反向传递到冻土层中。这是因为无芯重力热管液体的回流依靠的是重力,工作液体在重力作用下汇集于冻土层那一端,而空气那一端没有工作液体,也就没法吸热,这时候热管处于不工作状态。

青藏铁路热管的吸热段和绝热段埋入地面以下约5m,散热段露出地面约2m,其中最关键的吸热段则深入到永久冻土最大融化深度之下

  美国阿拉斯加的输油管道建在永久冻土层上,为了防止夏季冻土解冻危害管路安全,就在管道两旁树立了112000根重力热管(下图中棕色的柱子)来给冻土保温,所用的重力热管长度在11~12m之间。

建于永冻土上的阿拉斯加输油管道。图片来源:Wikipedia

  更进一步地,现在已经有人提出使用更长的重力热管提取地热能,在冬天给室内供暖。

  多说一句,在搜索液冷散热的时候我发现,现在已经有循环水冷的手机壳了,这才是真·液冷散热。

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