引言
今天我們將深入探討熱量的傳遞。我們來到了中國的承邁工廠,這是世界上最大的生產商,他們為我們提供了一次參觀。
均溫板能以驚人的速度散發熱量。它們讓水在30°C下沸騰,在另一側將其冷凝回液體以釋放能量,然後在沒有任何移動部件的情況下將水運送回處理器。這對於冷卻智慧型手機內日益強大的晶片組來說絕對必要。
熱能的三種傳導方式
影片中介紹了三種熱能傳導方式,但主要探討其中兩種:
平流 (Advection)
這是一種「移動」本身來傳導熱量的方式。這聽起來很愚蠢,但其實很常見,例如使用風扇時,你不是等待空氣變冷,而是透過移動熱空氣,讓新鮮的冷空氣取代它。熱空氣會膨脹、變輕而上升,與冷空氣混合,這部分行為稱為「對流」,但平流才是熱量移動的關鍵。
傳導 (Conduction)
溫度是原子或分子的平均動能。當粒子高速運動並撞擊到鄰近粒子時,熱量就會在材料中傳遞,這就是 (Conduction)。金屬由於原子緊密相連,是優良的熱導體;氣體則因為粒子稀疏而不相連,是糟糕的熱導體。
重要概念:真空 (Vacuum) 不含任何分子,因此是極佳的絕緣體。例如保溫瓶就是利用雙層金屬壁中間的真空層來隔絕熱傳導。
均溫板的優勢與運作原理
僅靠傳導散熱的效果不佳,因為熱量只會從高溫處流向低溫處,且溫差越大傳導越快。這會導致裝置出現明顯的「熱點」,不利於散熱。
影片透過實驗,將損壞的均溫板(純傳導)與正常運作的均溫板進行比較:
功能損壞的均溫板 | 正常運作的均溫板 | |
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散熱表現 | 僅能靠傳導散熱,熱點明顯。 | 熱量被均勻分散至整個表面。 |
吹風後降溫 | 降溫效果較差。 | 降溫效果顯著,因為熱量均勻分散在更大的表面積上。 |
均溫板的運作原理
- 低壓沸騰:均溫板內部被抽成真空,使水的沸點降至30°C左右,以利快速蒸發帶走熱量。
- 潛熱傳遞:水蒸發成氣體,帶走大量熱能(稱為「潛熱」)。當水蒸氣移動到較冷的區域時,凝結回液態,並將潛熱釋放出來,使熱量均布。
- 毛細作用:內部的「芯吸結構」利用 (Wicking) 原理,將凝結後的液態水送回發熱處,形成循環。
均溫板的製造過程與細節
材料準備與沖壓成型
使用不鏽鋼而非銅,因為不鏽鋼更堅固且輕,能讓均溫板做得更薄、更輕。材料厚度僅有40微米,比紙張還薄。透過沖壓機將外殼沖壓成型,製造出帶有「酒窩」的結構,這些突起物如同「支柱」,能防止均溫板在真空下被壓扁。
金屬處理
在金屬表面製造一層薄薄的氧化層,這不僅能防止金屬與水反應,更能降低水的,使其變成「親水性」 (Hydrophilic) 表面,有利於毛細作用。
芯吸結構 (Wick)
在上下兩片金屬外殼之間,放入一張非常細緻的不鏽鋼編織網,作為芯吸結構。這張網與底板形成微小縫隙,利用毛細作用將水傳送回熱點。這也是為何均溫板不分上、下,可在任何方向運作的原因。
充水與封裝
首先進行除氣與測漏,接著注入純水 (H₂O)。再次除氣並將水加熱沸騰,以確保所有空氣與不可凝結的氣體都被排出。最後用雷射將開口密封,並經過整平機處理,確保表面平整,有利於安裝。
手機中的實際應用與未來展望
實際應用
將均溫板與晶片用導熱膏或導熱墊連接。影片拆解了某款旗艦手機,發現均溫板位於電池與螢幕之間,而晶片上則使用了導熱墊和 (Graphite Sheet) 來輔助散熱。這種導熱石墨片的製造過程是先將某種聚合物與石墨片堆疊,然後在高溫下烘烤成碳,再壓制成薄片。
效能比較:在壓力測試中,沒有均溫板的某知名品牌手機在1分鐘後就因過熱而降頻,而搭載均溫板的某款旗艦手機則能夠長時間維持高效能。
未來技術
可撓式均溫板
為因應摺疊手機的需求,業界正在研發可彎曲的均溫板。
優化芯吸結構
嘗試不使用獨立的芯吸網,改用特殊氧化處理來達成毛細作用,以減少零件數量。
表面處理優化
在均溫板內部使用 (Hydrophilic and Hydrophobic) 塗層搭配,讓水珠在凝結後能更快地接觸到芯吸結構,加速循環。
在某款旗艦手機的最高規格版本中,他們在水中添加了氧化鋁奈米粒子來幫助 (Nucleation)。當水轉化為氣體時,它需要有個起始點。
創新突破:透過添加氧化鋁奈米粒子,成核效果更佳,而且氧化鋁也是很好的熱導體。