影響散熱性能的各種因素

1、 影響散熱性能的各種因素 影響散熱性能的各種因素-在當前的所有芯片中，以CPU的功耗、發(fā)熱量最高，因此CPU散熱器的發(fā)展最為強勁與引人注目，誕生了極其多樣化的產(chǎn)品，代表了計算機散熱技術(shù)的最高發(fā)展水平。只要對CPU散熱技術(shù)有了全面了解，其它產(chǎn)品的散熱原理也就無師自通了。因此，我們就重點討論CPU散熱技術(shù)。在介紹各種散熱技術(shù)之前，我們還要先確認幾個散熱的基本概念。熱力學(xué)基本知識-物理學(xué)認為，熱主要通過三種途徑來傳遞，它們分別是熱傳導(dǎo)、熱對流、熱輻射。為了保證良好的散熱器性能，就要已符合上述三種途徑的要求來設(shè)計產(chǎn)品，于是在材料的熱傳導(dǎo)率、比熱值；散熱器整體的熱阻、風(fēng)阻；風(fēng)扇的風(fēng)量、風(fēng)壓等等方面都提出

2、了要求。以下是針對這些概念進行集中講解：熱傳導(dǎo)-定義：通過物體的直接接觸，熱從溫度高的部位傳到溫度低的部位。熱能的傳遞速度和能力取決于： 1.物質(zhì)的性質(zhì)：有的物質(zhì)導(dǎo)熱性能差，如棉絮，有的物質(zhì)導(dǎo)熱性能強，如鋼鐵。這樣就有了采用不同材質(zhì)的散熱器，鋁、銅、銀。它們的散熱性能依次遞增。 2.物體之間的溫度差：熱是從溫度高的部位傳向溫度低的部位，溫差越大熱的傳導(dǎo)越快。 熱傳導(dǎo)是散熱的最主要方式，也是散熱技術(shù)需要解決的核心問題之一。所以我們通常都能看到，幾乎所有散熱在與CPU相接觸的部分都采用熱傳導(dǎo)性能良好的材料。比如Intel原包CPU中附帶的散熱器，采用銅芯與CPU接觸，就是為了將熱量盡快傳導(dǎo)出來。熱

3、對流- 熱通過流動介質(zhì)（氣體或液體）將熱量由空間中的一處傳到另一處，即由受熱物質(zhì)微粒的流動來傳播熱能的現(xiàn)象。根據(jù)流動介質(zhì)的不同，可分為氣體對流和液體對流。影響熱對流的因素主要有： 1.通風(fēng)孔洞面積和高度 2.溫度差：原因還是因為熱是由高到低方向傳導(dǎo)。 3.通風(fēng)孔洞所處位置的高度：越高對流越快。 4.液體對流：導(dǎo)熱效果比較好，因為液體比熱要大些，所以溫差大，導(dǎo)熱快。 之所以在CPU散熱器安裝的風(fēng)扇，也就是為了產(chǎn)生強制熱對流而加強散熱性能。理論上說，只要散熱器表面積足夠大，是無需強制熱對流的，但實際應(yīng)用中，散熱器不可能做的無限大，所以采用風(fēng)扇的主動散熱器是最常見的，并且可以根據(jù)散熱的需求而采用不同

4、轉(zhuǎn)速和大小規(guī)格的風(fēng)扇。熱輻射-是一種可以在沒有任何介質(zhì)(空氣)的情況下，不依靠分子之間的碰撞，又不依靠氣體或者液體的流動就能夠達成熱交換的傳遞方式。影響熱輻射的因素主要有： 1、熱源的材料。材料的比熱越小相外輻射能量越快，反之就越慢。 2、表面的顏色。一般來說，顏色光亮的（如白色或銀色）物體表面吸收和釋放輻射能量的速率較慢。深顏色（黑色）的物體表面吸收和釋放輻射能量的速率較快，有趣的是物體釋放電磁波的能量越高，其吸收能力也高，反之亦然。 當然，在普通應(yīng)用環(huán)境中，比起熱傳導(dǎo)與熱對流，熱輻射起到的散熱作用微乎其微，因此用戶在此方面不必太在意。下面用一個簡單的圖示來為大家做下講解： 上圖顯示了三種熱

5、傳遞方式在散熱器中的應(yīng)用形式。屬于熱傳導(dǎo)的是：由熱源CPU傳至散熱片以及在散熱片內(nèi)部傳遞。屬于對流的是：熱由散熱片傳遞到周圍的空間，再由風(fēng)扇和散熱片組合形成的對流對其散熱。熱傳導(dǎo)與熱對流是主要散熱方式，CPU產(chǎn)生的大部分熱量在傳遞到散熱片上后，都被風(fēng)扇形成的對流所帶走，熱輻射產(chǎn)生的作用可以忽略不計。 以上三個概念是熱力學(xué)的基礎(chǔ)知識。具體到材料上的特點，就需要引入熱傳到系數(shù)與比熱值兩個概念。 材料的導(dǎo)熱性能 熱傳導(dǎo)系數(shù)-由于熱傳導(dǎo)是散熱器有效運作的兩大方式之一，因此，散熱片材料的熱傳遞速度就是其中最關(guān)鍵的技術(shù)指標，理論上稱作熱傳導(dǎo)系數(shù)。 定義：每單位長度、每度K，可以傳送多少瓦數(shù)的能量，單位為W

6、/mK。即截面積為1平方米的柱體沿軸向1米距離的溫差為1開爾文（1K1）時的熱傳導(dǎo)功率。數(shù)值越大，表明該材料的熱傳遞速度越快。 由上表中可以得知，銀、銅的熱傳導(dǎo)系數(shù)最好。但是很顯然，這兩種材料的成本較高，不利于大規(guī)模量產(chǎn)。因此在目前的市場中，我們見到的最常用散熱器材料就是鋁合金，而今后也肯定以該種金屬為主。 比熱容-熱傳遞的速度很重要，但是吸收熱量能力低也不利于散熱，這里又引入了比熱容的概念。 定義：單位質(zhì)量下需要輸入多少能量才能使溫度上升一攝氏度，單位為卡/（千克C），數(shù)值越大代表物體容納熱量的能力越大。 根據(jù)上表得知，水比熱容最高，比金屬有更強的熱容能力，這也是水冷散熱器賴以生存的根本。值

7、得注意的是，銅的比熱容低于鋁，這就是為什么純銅散熱器的散熱效能并沒有大幅超出鋁質(zhì)散熱器的原因。 熱傳導(dǎo)系數(shù)與比熱值體現(xiàn)的是材料本身的特性。但是一款散熱器散熱性能的好壞，也要受到自身設(shè)計結(jié)構(gòu)的影響。而體現(xiàn)這方面整體性能的參數(shù)，就要依靠熱阻與風(fēng)阻兩個概念了。同時，散熱器的體積與重量也不可忽視 熱阻-英文名稱為thermal resistance，即物體對熱量傳導(dǎo)的阻礙效果。熱阻的概念與電阻非常類似，單位也與之相仿/W，即物體持續(xù)傳熱功率為1W時，導(dǎo)熱路徑兩端的溫差。以散熱器而言，導(dǎo)熱路徑的兩端分別是發(fā)熱物體（如CPU等）與環(huán)境空氣。 散熱器熱阻（發(fā)熱物體溫度環(huán)境溫度）導(dǎo)熱功率。 散熱器的熱阻顯然是

8、越低越好相同的環(huán)境溫度與導(dǎo)熱功率下，熱阻越低，發(fā)熱物體的溫度就越低。但是，決定熱阻高低的參數(shù)非常多，與散熱器所用材料、結(jié)構(gòu)設(shè)計都有關(guān)系。 必須注意：上述公式中為“導(dǎo)熱功率”，而非“發(fā)熱功率”。因為無法保證發(fā)熱物體所產(chǎn)生的熱量全部通過散熱器一條路徑傳導(dǎo)、散失，任何與發(fā)熱物體接觸的低溫物體（包括空氣）都可能成為其散熱路徑，甚至還可以通過熱輻射的方式散失熱量。所以，當環(huán)境或發(fā)熱物體溫度改變時，即使發(fā)熱功率不變，由于通過其它途徑散失的熱量改變，散熱器的導(dǎo)熱功率也可能發(fā)生較大變化。如果以發(fā)熱功率計算，就會出現(xiàn)散熱器在不同環(huán)境溫度下熱阻值不同的現(xiàn)象。風(fēng)阻-風(fēng)冷散熱器的散熱片需要仰仗風(fēng)扇的強制導(dǎo)流才可發(fā)揮完

9、全的性能，實際通過的有效風(fēng)量與散熱效果關(guān)系密切，而散熱片會對風(fēng)量造成影響的指標就是“風(fēng)阻”了。風(fēng)阻，正如其名，是物體對流過氣流的阻礙作用，但卻不能如電阻、熱阻般用具體數(shù)值來衡量。通常，以風(fēng)量與進/出口壓強差繪制出壓強-流量曲線（P-Q曲線），這條曲線便是散熱器對通過氣流的阻礙效果相同壓強差下，風(fēng)阻越小，風(fēng)量越大；相同風(fēng)量下，風(fēng)阻越大，壓強差越大。 那么風(fēng)阻是否越小越好呢？如果能保證有效散熱面積，當然！可惜，散熱片的有效散熱面積與風(fēng)阻往往不能兩全，在提高有效散熱面積的同時，難免增大風(fēng)阻，為散熱片搭配合適的風(fēng)扇，需結(jié)合散熱片阻抗（風(fēng)阻）曲線與風(fēng)扇特性曲線進行分析。規(guī)格- 要希望散熱器正常的使用，合

10、乎標準的物理規(guī)格是必須滿足的先決條件。物理規(guī)格的要求主要包括尺寸規(guī)格與重量兩方面： 散熱器的尺寸規(guī)格主要決定于散熱片尺寸，風(fēng)扇規(guī)格則取決于散熱片設(shè)計，相對處于附屬地位。Intel等“發(fā)熱設(shè)備制造者”都會提出對自己產(chǎn)品搭配散熱器的尺寸規(guī)格要求。散熱器的重量與尺寸規(guī)格類似，也關(guān)系到性能與適用型，同樣也主要決定于散熱片重量。 “發(fā)熱設(shè)備制造者”們也對散熱器的重量提出了要求，例如：Intel Socket-478接口的CPU要求散熱器重量不超過450g，而AMD Socket-A接口的CPU則要求散熱器重量不超過300g。 流動參數(shù)- 由于傳統(tǒng)的風(fēng)量散熱器都需要風(fēng)扇來強制對流散熱，因此空氣的流動參數(shù)，

11、也是影響散熱性能的重要指標之一。風(fēng)速-風(fēng)速即風(fēng)扇出風(fēng)口或進風(fēng)口的空氣流動速度，單位一般為m/s；僅是某一位置的速度數(shù)值，不能完全體現(xiàn)風(fēng)扇的性能。風(fēng)速在不同位置數(shù)值可能有較大差異，且平均值難以計算，一般不用來表示風(fēng)扇的性能，僅在詳細設(shè)計分析中才會使用。相關(guān)元素： 風(fēng)速的高低主要取決于扇葉的形狀、面積、高度以及轉(zhuǎn)速。扇葉形狀設(shè)計、面積、高度的影響較為復(fù)雜；風(fēng)扇轉(zhuǎn)速越快，風(fēng)速越快。風(fēng)速的高低會影響到風(fēng)量以及噪音的大小。同樣的過風(fēng)面積，風(fēng)速越高，風(fēng)量越大；氣流之間、空氣與扇葉、外框、散熱片之間的摩擦都會產(chǎn)生噪音，同樣的風(fēng)扇、散熱片設(shè)計，噪音必然會隨著風(fēng)速的提升而增大。風(fēng)量- 風(fēng)量是風(fēng)扇最重要的兩項性能

12、指標之一。 風(fēng)量即單位時間內(nèi)通過風(fēng)扇出風(fēng)口（或進風(fēng)口）截面的空氣體積，單位一般為cfm，即立方英尺每分-cubic feet per minute，或cmm，即立方米每分- cubic metres per minute。風(fēng)量是風(fēng)扇性能的整體衡量指標，不受到尺寸、結(jié)構(gòu)、方式的限制，也不限于直流無刷風(fēng)扇，可適用于任何空氣導(dǎo)流設(shè)備。 相關(guān)元素： 風(fēng)量平均風(fēng)速 x 過風(fēng)面積?？梢?，風(fēng)扇風(fēng)量的大小基本取決于風(fēng)速的高低與過風(fēng)面積的大小。過風(fēng)面積相同，風(fēng)速越高，風(fēng)量越大；風(fēng)速相同，過風(fēng)面積越大，風(fēng)量越大。 風(fēng)冷散熱器是依靠空氣吹過散熱片，利用熱交換帶走散熱片上堆積熱量的。顯然，采用同樣的散熱片結(jié)構(gòu)與空氣流動方式，單位時間內(nèi)通過的空氣越多，帶走的熱量也就越多。因此，其它條件不變的情況下，可以說實際風(fēng)量對風(fēng)冷散熱效果起著決定性的作用。風(fēng)壓-風(fēng)壓是風(fēng)扇最重要的兩項性能指標之一。 風(fēng)壓即風(fēng)扇能夠令出風(fēng)口與入風(fēng)口間產(chǎn)生的壓強差，單位一般為mm（cm） water column，即毫米（厘米）水柱（類似于衡量大氣壓的毫米汞柱，但由于壓強差較小，一般以水柱為單位）。風(fēng)壓是衡量風(fēng)扇“強勁”程度的重要指標，如果將風(fēng)量比作一把武器的揮擊力量，那么風(fēng)壓就是這把武器的鋒利程度。