热管正常工作的必要条件
热管现在对于我们来说已是非常之熟悉，它在PC散热得到了广泛普及的应用，其原理也很好理解，是一种利用相变过程中要吸收/散发热量的性质来进行冷却的技术。
热管工作流程示意图
典型的热管由管壳、吸液芯和端盖组成，将管内抽成一定负压后充以适量的工作物质（工质），使紧贴管内壁的吸液芯毛细孔中充满液体后加以密封。当热管一端受热时毛细芯中的工质蒸发汽化，蒸汽在微小压差下流向另一端放出热量后凝结成液体，液体再沿多孔材料借助毛细力和重力流回蒸发端，如此循环不断传递热量。
热管的基本构造
一般来说，热管中的工质需要根据工作温度区间进行选择，对于PC散热，考虑到成本因素，厂商们一般选择的是纯水和部分添加剂。不过看到有同学说，我剪开热管为什么没有看到液体？
实际上热管里的工质是很少的，过多的话会引发液体阻塞现象，导致冷凝端无法正常工作，当然过少也不好，流体无法将毛细结构孔隙填充，造成热管蒸发端局部干燥。热管的直径、毛细结构、热管长度都会直接影响到液体的填入量。最常见的直径6mm长度15cm的热管其工质装填量大约为0.5毫升，而且都填充在毛细孔中，所以就算剪开热管也不会看到有液体流出。
著名科学家Cotter为热管学奠定了理论基础，一般称之为Cotter理论，其中提到了热管正常工作的必要条件：
△Pc ≥ △Pl + △Pv + △Pg
热管内的流体流动属于汽-液两相逆流流动，其中蒸汽从蒸发段流向冷凝段会产生压力降△Pv，冷凝液体从冷凝段流回蒸发段会产生压力降△Pl，而重力场对液体流动也会产生压力降△Pg（可以是正值，是负值或为零，视热管在重力场中的位置而定)。△Pl+△Pv+△Pg形成了工质回流的阻力，而热管中工质的循环动力是靠毛细吸液芯结构与工作液体产生的毛细压头，也就是△Pc。
热管传热中存在各种极限
△Pv和△Pl一般随热负荷的增加而增在，主要受工质的黏度、密度、质量流量、热管长度、多孔物质渗透系数等影响，而△Pc则由吸液芯结构决定的，如毛细孔半径越小△Pc越大。毛细结构为循环提供的毛细压头是有限的，如果由毛细力作用抽回的液体不能满足蒸发所需的量，便会出现蒸发段的吸液芯干涸，蒸发段管壁温度剧烈上升，甚至出现烧坏管壁和热源的现象，这就是常见的毛细极限。
显然我们今天不是来学习如何去计算△Pc/△Pv/△Pl这些数据，只关心△Pg这一项，由重力场引起的对液体流动产生的压力降。当蒸发端位于冷凝端之上时，工作的液体回流时还必须克服重力的影响，当然冷凝端在上面时，重力会加速液体的回流。
显卡散热器中TRad流
现在很多中高端显卡散热器在结构上作了些改进，比如说让热管穿过尽量多的鳍片，这样热管就变得很长，它们显著的特点是热管垂直于显卡后挡板，最早见于Thermalright的T-Rad2，还有后来推出的T-Rad2 GTX和Shaman版，之后陆续有其它厂家跟进类似设计的散热器，比如Prolimatech MK-13、Zalman VF3000系列、AC Accelero Xtreme Plus等，九州风神新推出的V6000亦是如此，为了方便描述，我们称这类散热器为TRad流。
TRad流显卡散热器
TRad流散热器如果安装在传统的机箱内可以体现出它们强大的散热能力（热管与地面平行），从我们以前的测试就可以得到这样的结论。但是现在还有一种非传统机箱，像Silverstone RAVEN RV01/RV02/RV03和FT02/FT03等机箱，它们颠覆了以前的安装方式，主板的IO位于机箱顶部，这样当显卡安装进去后，显卡散热器热管与地面垂直。
新机箱带来了新问题
由于TRad流散热器的热管较长，垂直时热管的冷凝端要远远低于蒸发端，这和水平时只稍低一点的情况大为不同，液体在回流时重力的影响变得特别突出。
Silverstone在RV01机箱的Q&A中称“To achieve best performance in either heat pipe technology, they need to be placed horizontally or have the heat source side located below the other end of the heat pipe.”，大意是说，我们推荐使用热端比其它端位置低的散热器以获得更好的性能。对于TRad流散热器显然是不在Silverstone的推荐行列。
我们是如何测试的
那么，如果TRad流散热器安装在RV02这样的机箱里，散热性能会有多大下降，或者说，重力会有多大影响？我们做了一些简单的测试。
测试均在RV02机箱内完成，同样的硬件配置和风扇组合，唯一的不同是机箱的放置方式有所不同，一是正常的（Normal），显卡垂直安装于机箱内，另一种是将RV02旋转90度（Vertical），保持电源上置，此时显卡平行于地面，模拟传统立式机箱的状态。两种情况下的风道影响或许有所区别，但对显卡散热的影响应该不是很大。
测试的显卡散热器包括AC Accelero Xtreme Plus（影驰GTX 480骨灰黑将标配）、MK-13、T-Rad2 GTX和Shaman，对比的有GeForce GTX 275原装散热器和微星N460GTX HAWK自带的散热器，模拟普通显卡散热器在两种机箱状态下的散热性能变化。
微星N460GTX HAWK
利用Furmark进行稳定性测试，让显卡满负载运行，记录它们在稳定后的GPU温度。
传统显卡散热器登场
先亮相的传统显卡散热器，或者说是非TRad流散热器，用GeForce GTX 275原装散热器和微星N460GTX HAWK自带的散热器作为代表。
来看看它们在两种不同放置方式的RV02机箱内会有什么不一样的表现：
可以看到无论是RV02正常放置（显卡垂直于地面）还是旋转90度后放置（显卡平行于地面），对GPU温度的影响非常小，在1-2度之间，从一定程度上也可以说风道的影响不是很大。
理论上看，微星N460GTX HAWK在垂直于地面时其散热器有两条热管的冷凝端是明显低于蒸发端的，这时重力的影响会变大，当然另两条热管的冷凝端会高于蒸发端，重力会带了正面影响，实际结果GPU温度只高了1度，类似状况也出现在AC Accelero Xtreme Plus散热器上，但结果却相差甚远。
TRad流散热器：结果超乎想象
这次测试TRad流显卡散热器包括AC Accelero Xtreme Plus，MK-13、T-Rad2 GTX和Shaman，除了AC的那款是用GTX 480外，其它三款均安装在GTX 275上进行测试。不过下面的数据大家比较各散热器两个成绩就好了，不用纵向比，因为频率、风扇、环境温度并没有保证在同样条件下，没有可比性。
上面这个数据应该会让很多人大吃一惊吧。
这四款TRad流显卡散热器在垂直/平行于地面时的性能一致表现得天差地别，当以正常方式安装在RV02机箱内时，散热器的热管是垂直于地面的，此时性能非常之差，像T-Rad2 GTX和MK-13完全不能胜任基本工作，GPU温度一路狂飙到105度并自动进入保护期。
即便是表现最好的Shaman，也比它水平装置（RV02旋转90度）时要高出17度，这可能与它的热管长度较短也有一定关系，Accelero Xtreme Plus也要高出20度，恐怕这些不是风道影响可以解释的。
Prolimatech MK-13水平于地面时的GPU温度（点击放大）
Prolimatech MK-13垂直于地面时的GPU温度（点击放大）
小结：热管散热器要这样装
诚如Silverstone所说，RV02这类机箱是不适合安装TRad流显卡散热器的，要获得更好的散热性能，必须保证散热器冷凝端的位置高于蒸发端，这是适用所有热管散热器的安装准则。
之所以出现这样的情况，是热管中回流液体的重力影响明显超出了我们的想象，像MK-13这样的散热器在垂直安装时，其毛细压头完全不能推动液体回流从而引发毛细极限。换一个角度来说，热管的质量是不是应该再提升一些，由液体表面张力系数和毛细孔半径决定的毛细压头不可以再高些吗？
到底是重力影响太大还是热管吸液芯结构不理想？
在更加专业的应用领域，毛细泵回路（CPL）是用来解决小温差、长距离热量回收的有效方法，比普通单相回路热管有更好的温控和传热效果，期待有一天能引进到PC散热中。
游客 2012-09-07 15:45
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