影響散熱性能的各種因素

影響散熱性能的各種因素

　　在當(dāng)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(qiáng)勁與引人注目，誕生了極其多樣化的產(chǎn)品，代表了計(jì)算機(jī)散熱技術(shù)的最高發(fā)展水平。只要對(duì)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，本專題重點(diǎn)就討論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(rèn)幾個(gè)散熱的基本概念。

熱力學(xué)基本知識(shí)

　　我們先從物理的角度來探討一下散熱的原理，因?yàn)橹懒嗽聿拍軓母旧险页鼋鉀Q問題的方法。雖然這部分有些枯燥難懂，但只要您能耐心看完，相信很多問題就可迎刃而解，對(duì)今后徹底了解散熱器有很大的用處。

　　物理學(xué)認(rèn)為，熱主要通過三種途徑來傳遞，它們分別是熱傳導(dǎo)、熱對(duì)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(jì)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)壓等等方面都提出了要求。以下針對(duì)這些概念進(jìn)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(qiáng)，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，價(jià)錢當(dāng)然也就成正比啦。

　　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。

熱對(duì)流

　　熱通過流動(dòng)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(dòng)來傳播熱能的現(xiàn)象。根據(jù)流動(dòng)介質(zhì)的不同，可分為氣體對(duì)流和液體對(duì)流。影響熱對(duì)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?yàn)闊崾怯筛叩降头较騻鲗?dǎo)。

3.通風(fēng)孔洞所處位置的高度：越高對(duì)流越快。

4.液體對(duì)流：導(dǎo)熱效果比較好，因?yàn)橐后w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(qiáng)制熱對(duì)流而加強(qiáng)散熱性能。理論上說，只要散熱器表面積足夠大，是無需強(qiáng)制熱對(duì)流的，但實(shí)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(dòng)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轉(zhuǎn)速和大小規(guī)格的風(fēng)扇。少數(shù)散熱器也能采用被動(dòng)散熱的方式，比如下圖中的產(chǎn)品，但請(qǐng)注意散熱器已經(jīng)覆蓋了大半個(gè)主板。

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(dòng)就能夠達(dá)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(dāng)然，在普通應(yīng)用環(huán)境中，比起熱傳導(dǎo)與熱對(duì)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。

　　理論是空洞無味的，下面用一個(gè)簡單的圖示來為大家做下講解：

　　上圖顯示了三種熱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(duì)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(duì)流對(duì)其散熱。熱傳導(dǎo)與熱對(duì)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(duì)流所帶走，熱輻射產(chǎn)生的作用可以忽略不計(jì)。

　　以上三個(gè)概念是熱力學(xué)的基礎(chǔ)知識(shí)。具體到材料上的特點(diǎn)，就需要引入熱傳到系數(shù)與比熱值兩個(gè)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(yùn)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(biāo)，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/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（1K＝1℃）時(shí)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(qiáng)的熱容能力，這也是水冷散熱器賴以生存的根本。值得注意的是，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(jì)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(gè)概念了。同時(shí)，散熱器的體積與重量也不可忽視。

熱阻

　　熱阻，英文名稱為thermal resistance，即物體對(duì)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(shí)，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(jì)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?yàn)闊o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(dāng)環(huán)境或發(fā)熱物體溫度改變時(shí)，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(jì)算，就會(huì)出現(xiàn)散熱器在不同環(huán)境溫度下熱阻值不同的現(xiàn)象。

　　散熱器（不僅限于風(fēng)冷散熱器，還可包括被動(dòng)空冷散熱片、液冷、壓縮機(jī)等）所標(biāo)注的熱阻值根據(jù)測試環(huán)境與方法的不同可能存在較大差異，而與用戶實(shí)際使用中的效果也必然存在一定差異，不可一概而論，應(yīng)根據(jù)具體情況分析。

風(fēng)阻

　　風(fēng)冷散熱器的散熱片需要仰仗風(fēng)扇的強(qiáng)制導(dǎo)流才可發(fā)揮完全的性能，實(shí)際通過的有效風(fēng)量與散熱效果關(guān)系密切，而散熱片會(huì)對(duì)風(fēng)量造成影響的指標(biāo)就是“風(fēng)阻”了。

　　風(fēng)阻，正如其名，是物體對(duì)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(jìn)/出口壓強(qiáng)差繪制出壓強(qiáng)-流量曲線（P-Q曲線），這條曲線便是散熱器對(duì)通過氣流的阻礙效果——相同壓強(qiáng)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(qiáng)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(dāng)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(shí)，難免增大風(fēng)阻，在散熱片結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程中就需要進(jìn)行權(quán)衡了。散熱片設(shè)計(jì)一旦確定，風(fēng)阻（P-Q曲線）也就基本確定下來，我們能夠做的，只有為它選配合適的風(fēng)扇，令其發(fā)揮出設(shè)計(jì)應(yīng)有性能了。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(jìn)行分析。

規(guī)格

　　要希望散熱器正常的使用，合乎標(biāo)準(zhǔn)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(jì)，相對(duì)處于附屬地位。Intel等“發(fā)熱設(shè)備制造者”都會(huì)提出對(duì)自己產(chǎn)品搭配散熱器的尺寸規(guī)格要求。例如Intel建議的Socket-478散熱器尺寸規(guī)格，如下圖：

　　一般而言，散熱器設(shè)計(jì)、制造者都會(huì)盡量滿足此要求，用戶在使用過程中無需為尺寸規(guī)格的“兼容”問題而擔(dān)心。但隨著計(jì)算機(jī)設(shè)備功率的迅速增長，以及用戶對(duì)靜音需求的提高，散熱片面積越來越大，體積隨之增大，各種別出心裁的特殊設(shè)計(jì)也層出不窮，高端散熱器的尺寸規(guī)格早已不在Intel等“發(fā)熱設(shè)備制造者”的掌控之內(nèi)了。如果用戶選擇的散熱器屬于此類，那么就應(yīng)該注意它與機(jī)箱空間、主板周圍元件間的“兼容性”。所幸，這類存在“兼容隱患”的散熱器之制造廠家一般都會(huì)發(fā)布某種形式的兼容列表，只要用戶適當(dāng)關(guān)注，就不致陷入高價(jià)買回散熱器而無法使用的窘境。Zalman CNPS7000A即為此類散熱器的典型代表。

　　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(duì)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。

　　散熱器的重量標(biāo)準(zhǔn)也只在其制訂初期受到了“尊重”，當(dāng)時(shí)多數(shù)產(chǎn)品能夠切實(shí)的執(zhí)行。目前，則只有OEM與低端產(chǎn)品尚符合此標(biāo)準(zhǔn)要求，而獨(dú)立品牌高端散熱器，尤其是高端CPU風(fēng)冷散熱器，為了取得更高的性能，基本“無視”此標(biāo)準(zhǔn)的存在。它們毫不理會(huì)脆弱的半導(dǎo)體芯片與電路板的感受，積極的采用導(dǎo)熱能力更強(qiáng)、密度更大的銅作為主體材料，放任體積的膨脹，體重的增加。因此，用戶，尤其是玩家們?nèi)绻x擇了“壯碩”的高端風(fēng)冷散熱器，則需要做好發(fā)生芯片碎裂、電路板斷折等慘劇的心理準(zhǔn)備，應(yīng)在使用時(shí)采取適當(dāng)?shù)募庸檀胧?，減小芯片與電路板的負(fù)擔(dān)。
流動(dòng)參數(shù)

　　由于傳統(tǒng)的風(fēng)量散熱器都需要風(fēng)扇來強(qiáng)制對(duì)流散熱，因此空氣的流動(dòng)參數(shù)，也是影響散熱性能的重要指標(biāo)之一。其實(shí)本部分應(yīng)放到風(fēng)扇技術(shù)介紹當(dāng)中，但是考慮到這些參數(shù)的重要性，我們認(rèn)為有必要將其放置在本期內(nèi)容的第三部分當(dāng)中。一個(gè)優(yōu)質(zhì)的風(fēng)扇，是將散熱器潛能發(fā)揮到極至的必要條件。

風(fēng)速

　　風(fēng)速即風(fēng)扇出風(fēng)口或進(jìn)風(fēng)口的空氣流動(dòng)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(jì)算，一般不用來表示風(fēng)扇的性能，僅在詳細(xì)設(shè)計(jì)分析中才會(huì)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(jì)、面積、高度的影響較為復(fù)雜，將在后文說明；風(fēng)扇轉(zhuǎn)速越快，風(fēng)速越快，則是顯而易見的常識(shí)，無需贅述。風(fēng)速的高低會(huì)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(huì)產(chǎn)生噪音，同樣的風(fēng)扇、散熱片設(shè)計(jì)，噪音必然會(huì)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(xiàng)性能指標(biāo)之一。
　　風(fēng)量即單位時(shí)間內(nèi)通過風(fēng)扇出風(fēng)口（或進(jìn)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(biāo)，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?？梢姡L(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(dòng)方式，單位時(shí)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(shí)際風(fēng)量對(duì)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(xiàng)性能指標(biāo)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(qiáng)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(qiáng)差較小，一般以水柱為單位）。風(fēng)壓是衡量風(fēng)扇“強(qiáng)勁”程度的重要指標(biāo)，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。所轉(zhuǎn)速越快，風(fēng)壓越大。
　　風(fēng)壓既然是風(fēng)扇最重要的兩項(xiàng)性能指標(biāo)之一，選擇風(fēng)扇時(shí)自然要特別注意。如果配合片狀鰭片+風(fēng)道式設(shè)計(jì)的散熱片，一般不需太大的風(fēng)壓，即可保證空氣順暢流動(dòng)，達(dá)到預(yù)期效果；如果配合典型的平行片狀鰭片+頂吹式設(shè)計(jì)的散熱片，則要根據(jù)鰭片的密度和高度、鰭片間風(fēng)槽的形狀和長度選擇具有足夠風(fēng)壓的風(fēng)扇；如果配合Alpha或Swiftech等密集柱狀鰭片+頂吹式設(shè)計(jì)的散熱片，就需要風(fēng)扇具有較大的風(fēng)壓。

　　昆山福瑞格機(jī)電科技有限公司系專業(yè)的散熱風(fēng)扇、散熱模組、銅鋁散熱片研發(fā)、生產(chǎn)、銷售公司，技術(shù)品質(zhì)源于臺(tái)灣。公司產(chǎn)品推廣至各應(yīng)用行業(yè)，專業(yè)銷售的直流風(fēng)扇、交流風(fēng)扇、直流風(fēng)機(jī)、交流風(fēng)機(jī)、防水(油)風(fēng)扇、長壽命風(fēng)扇，靜音風(fēng)扇等廣泛應(yīng)用于通訊設(shè)備、電源、醫(yī)療設(shè)備、安防設(shè)備、工控設(shè)備、儀器儀表、汽車等產(chǎn)品中。

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