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品，代表了計算機散熱技術的最高發(fā)展水平。只要對CPU散熱技術有了全面了解，其它產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。在介紹各種散熱技術之前，我們還要先確認幾個散熱的基本概念。熱力學基本知識-物理學認為，熱主要通過三種途徑來傳遞，它們分別是熱傳導、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計產品，于是在材料的熱傳導率、比熱值；散熱器整體的熱阻、風阻；風扇的風量、風壓等等方面都提出

2、了要求。以下是針對這些概念進行集中講解：熱傳導-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.物質的性質：有的物質導熱性能差，如棉絮，有的物質導熱性能強，如鋼鐵。這樣就有了采用不同材質的散熱器，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，溫差越大熱的傳導越快。 熱傳導是散熱的最主要方式，也是散熱技術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出來。熱

3、對流- 熱通過流動介質（氣體或液體）將熱量由空間中的一處傳到另一處，即由受熱物質微粒的流動來傳播熱能的現象。根據流動介質的不同，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。 3.通風孔洞所處位置的高度：越高對流越快。 4.液體對流：導熱效果比較好，因為液體比熱要大些，所以溫差大，導熱快。 之所以在CPU散熱器安裝的風扇，也就是為了產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，但實際應用中，散熱器不可能做的無限大，所以采用風扇的主動散熱器是最常見的，并且可以根據散熱的需求而采用不同

4、轉速和大小規(guī)格的風扇。熱輻射-是一種可以在沒有任何介質(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，在普通應用環(huán)境中，比起熱傳導與熱對流，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用形式。屬于熱傳導的是：由熱源CPU傳至散熱片以及在散熱片內部傳遞。屬于對流的是：熱由散熱片傳遞到周圍的空間，再由風扇和散熱片組合形成的對流對其散熱。熱傳導與熱對流是主要散熱方式，CPU產生的大部分熱量在傳遞到散熱片上后，都被風扇形成的對流所帶走，熱輻射產生的作用可以忽略不計。 以上三個概念是熱力學的基礎知識。具體到材料上的特點，就需要引入熱傳到系數與比熱值兩個概念。 材料的導熱性能 熱傳導系數-由于熱傳導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鍵的技術指標，理論上稱作熱傳導系數。 定義：每單位長度、每度K，可以傳送多少瓦數的能量，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）時的熱傳導功率。數值越大，表明該材料的熱傳遞速度越快。 由上表中可以得知，銀、銅的熱傳導系數最好。但是很顯然，這兩種材料的成本較高，不利于大規(guī)模量產。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），數值越大代表物體容納熱量的能力越大。 根據上表得知，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散熱器的原因。 熱傳導系數與比熱值體現的是材料本身的特性。但是一款散熱器散熱性能的好壞，也要受到自身設計結構的影響。而體現這方面整體性能的參數，就要依靠熱阻與風阻兩個概念了。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，導熱路徑兩端的溫差。以散熱器而言，導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非常多，與散熱器所用材料、結構設計都有關系。 必須注意：上述公式中為“導熱功率”，而非“發(fā)熱功率”。因為無法保證發(fā)熱物體所產生的熱量全部通過散熱器一條路徑傳導、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，就會出現散熱器在不同環(huán)境溫度下熱阻值不同的現象。風阻-風冷散熱器的散熱片需要仰仗風扇的強制導流才可發(fā)揮完

9、全的性能，實際通過的有效風量與散熱效果關系密切，而散熱片會對風量造成影響的指標就是“風阻”了。風阻，正如其名，是物體對流過氣流的阻礙作用，但卻不能如電阻、熱阻般用具體數值來衡量。通常，以風量與進/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，風阻越小，風量越大；相同風量下，風阻越大，壓強差越大。 那么風阻是否越小越好呢？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阻往往不能兩全，在提高有效散熱面積的同時，難免增大風阻，為散熱片搭配合適的風扇，需結合散熱片阻抗（風阻）曲線與風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，風扇規(guī)格則取決于散熱片設計，相對處于附屬地位。Intel等“發(fā)熱設備制造者”都會提出對自己產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- 由于傳統的風量散熱器都需要風扇來強制對流散熱，因此空氣的流動參數，

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

12、指標之一。 風量即單位時間內通過風扇出風口（或進風口）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。風量是風扇性能的整體衡量指標，不受到尺寸、結構、方式的限制，也不限于直流無刷風扇，可適用于任何空氣導流設備。 相關元素： 風量平均風速 x 過風面積。可見，風扇風量的大小基本取決于風速的高低與過風面積的大小。過風面積相同，風速越高，風量越大；風速相同，過風面積越大，風量越大。 風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構與空氣流動方式，單位時間內通過的空氣越多，帶走的熱量也就越多。因此，其它條件不變的情況下，可以說實際風量對風冷散熱效果起著決定性的作用。風壓-風壓是風扇最重要的兩項性能指標之一。 風壓即風扇能夠令出風口與入風口間產生的壓強差，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）。風壓是衡量風扇“強勁”程度的重要指標，如果將風量比作一把武器的揮擊力量，那么風壓就是這把武器的鋒利程度。