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1、影响散热性能的各种因素三、影响散热性能的各种因素在当前的所有芯片中，以CPU的功耗、发热量最高，因此CPU散热器的开展最为强劲与引人注目，了极其多样化的产品，代表了计算机散热技术的最高开展水平。只要对CPU散热技术有了全面了解，其它产品的散热原理也就无师自通了。因此，本专题重点就讨论CPU散热技术。在介绍各种散热技术之前，我们还要先确认几个散热的根本概念。热力学根本知识我们先从物理的角度来探讨一下散热的原理，因为知道了原理才能从根本上找出解决问题的方法。虽然这局部有些枯燥难懂，但只要您能耐心看完，相信很多问题就可迎刃而解，对今后彻底了解散热器有很大的用处。物理学认为，热主要通过三种途径来传递，
2、它们分别是热传导、热对流、热辐射。为了保证良好的散热器性能，就要已符合上述三种途径的要求来设计产品，于是在材料的热传导率、比热值；散热器整体的热阻、风阻；风扇的风量、风压等等方面都提出了要求。以下针对概念进展集中讲解。热传导定义：通过物体的直接接触，热从温度高的部位传到温度低的部位。热能的传递速度和能力取决于：1.物质的性质。有的物质导热性能差，如棉絮，有的物质导热性能强，如钢铁。这样就有了采用不同材质的散热器，铝、铜、银。它们的散热性能依次递增，价钱当然也就成正比啦。2.物体之间的温度差。热是从温度高的部位传向温度低的部位，温差越大热的传导越快。热传导是散热的最主要方式，也是散热技术需要解决
3、的核心问题之一。所以我们通常都能看到，几乎所有散热在与CPU相接触的局部都采用热传导性能良好的材料。比如Intel原包CPU中附带的散热器，采用铜芯与CPU接触，就是为了将热量尽快传导出来。热对流4.液体对流：导热效果比拟好，因为液体比热要大些，所以温差大，导热快。之所以在CPU散热器安装的风扇，也就是为了产生强制热对流而加强散热性能。理论上说，只要散热器外表积足够大，是无需强制热对流的，但实际应用中，散热器不可能做的无限大，所以采用风扇的主动散热器是最常见的，并且可以根据散热的需求而采用不同转速和大小规格的风扇。少数散热器也能采用被动散热的方式，比如如下图中的产品，但请注意散热器已经覆盖了大
4、半个主板。热辐射是一种可以在没有任何介质(空气)的情况下，不依靠分子之间的碰撞，又不依靠气体或者液体的流动就能够达成热交换的传递方式。影响热辐射的因素主要有：1、热源的材料。材料的比热越小相外辐射能量越快，反之就越慢。2、外表的颜色。一般来说，顏色光亮的如白色或銀色物体外表吸收和释放辐射能量的速率较慢。深颜色黑色的物体外表吸收和释放辐射能量的速率较快，有趣的是物体释放电磁波的能量越高，其吸收能力也高，反之亦然。当然，在普通应用环境中，比起热传导与热对流，热辐射起到的散热作用微乎其微，因此用户在此方面不必太在意。理论是空洞无味的，下面用一个简单的图示来为大家做下讲解：上图显示了三种热传递方式在散
5、热器中的应用形式。属于热传导的是：由热源CPU传至散热片以与在散热片内部传递。属于对流的是：热由散热片传递到周围的空间，再由风扇和散热片组合形成的对流对其散热。热传导与热对流是主要散热方式，CPU产生的大局部热量在传递到散热片上后，都被风扇形成的对流所带走，热辐射产生的作用可以忽略不计。以上三个概念是热力学的根底知识。具体到材料上的特点，就需要引入热传到系数与比热值两个概念。材料的导热性能热传导系数由于热传导是散热器有效运作的两大方式之一，因此，散热片材料的热传递速度就是其中最关键的技术指标，理论上称作热传导系数。定义：每单位长度、每度K，可以传送多少瓦数的能量，单位为W/mK。即截面积为1平
6、方米的柱体沿轴向1米距离的温差为1开尔文1K1时的热传导功率。数值越大，明确该材料的热传递速度越快。由上表中可以得知，银、铜的热传导系数最好。但是很显然，这两种材料的本钱较高，不利于大规模量产。因此在目前的市场中，我们见到的最常用散热器材料就是铝合金，而今后也肯定以该种金属为主。比热容热传递的速度很重要，但是吸收热量能力低也不利于散热，这里又引入了比热容的概念。定义：单位质量下需要输入多少能量才能使温度上升一摄氏度，单位为卡/千克C，数值越大代表物体容纳热量的能力越大。根据上表得知，水比热容最高，比金属有更强的热容能力，这也是水冷散热器赖以生存的根本。值得注意的是，铜的比热容低于铝，这就是为纯
7、铜散热器的散热效能并没有大幅超出铝质散热器的原因。热传导系数与比热值表现的是材料本身的特性。但是一款散热器散热性能的好坏，也要受到自身设计结构的影响。而表现这方面整体性能的参数，就要依靠热阻与风阻两个概念了。同时，散热器的体积与重量也不可无视。热阻热阻，英文名称为thermal resistance，即物体对热量传导的阻碍效果。热阻的概念与电阻非常类似，单位也与之相仿/W，即物体持续传热功率为1W时，导热路径两端的温差。以散热器而言，导热路径的两端分别是发热物体如CPU等与环境空气。散热器热阻发热物体温度环境温度导热功率。散热器的热阻显然是越低越好一样的环境温度与导热功率下，热阻越低，发热物体
8、的温度就越低。但是，决定热阻上下的参数非常多，与散热器所用材料、结构设计都有关系。必须注意：上述公式中为“导热功率，而非“发热功率。因为无法保证发热物体所产生的热量全部通过散热器一条路径传导、散失，任何与发热物体接触的低温物体包括空气都可能成为其散热路径，甚至还可以通过热辐射的方式散失热量。所以，当环境或发热物体温度改变时，即使发热功率不变，由于通过其它途径散失的热量改变，散热器的导热功率也可能发生较大变化。如果以发热功率计算，就会出现散热器在不同环境温度下热阻值不同的现象。散热器不仅限于风冷散热器，还可包括被动空冷散热片、液冷、压缩机等所标注的热阻值根据测试环境与方法的不同可能存在较大差异，
9、而与用户实际使用中的效果也必然存在一定差异，不可一概而论，应根据具体情况分析。风阻风冷散热器的散热片需要仰仗风扇的强制导流才可发挥完全的性能，实际通过的有效风量与散热效果关系密切，而散热片会对风量造成影响的指标就是“风阻了。风阻，正如其名，是物体对流过气流的阻碍作用，但却不能如电阻、热阻般用具体数值来衡量。通常，以风量与进/出口压强差绘制出压强-流量曲线P-Q曲线，这条曲线便是散热器对通过气流的阻碍效果一样压强差下，风阻越小，风量越大；一样风量下，风阻越大，压强差越大。那么风阻是否越小越好呢？如果能保证有效散热面积，当然！可惜，散热片的有效散热面积与风阻往往不能两全，在提高有效散热面积的同时，
10、难免增大风阻，在散热片结构设计过程中就需要进展权衡了。散热片设计一旦确定，风阻P-Q曲线也就根本确定下来，我们能够做的，只有为它选配适宜的风扇，令其发挥出设计应有性能了。为散热片搭配适宜的风扇，需结合散热片阻抗风阻曲线与风扇特性曲线进展分析。 规格要希望散热器正常的使用，符合标准的物理规格是必须满足的先决条件。物理规格的要求主要包括尺寸规格与重量两方面。散热器的尺寸规格主要决定于散热片尺寸，风扇规格如此取决于散热片设计，相对处于附属地位。Intel等“发热设备制造者都会提出对自己产品搭配散热器的尺寸规格要求。例如Intel建议的Socket-478散热器尺寸规格，如如下图：一般而言，散热器设计
11、、制造者都会尽量满足此要求，用户在使用过程中无需为尺寸规格的“兼容问题而担心。但随着计算机设备功率的迅速增长，以与用户对静音需求的提高，散热片面积越来越大，体积随之增大，各种别出心裁的特殊设计也层出不穷，高端散热器的尺寸规格早已不在Intel等“发热设备制造者的掌控之内了。如果用户选择的散热器属于此类，那么就应该注意它与机箱空间、主板周围元件间的“兼容性。所幸，这类存在“兼容隐患的散热器之制造厂家一般都会发布某种形式的兼容列表，只要用户适当关注，就不致陷入高价买回散热器而无法使用的窘境。Zalman PS7000A即为此类散热器的典型代表。散热器的重量与尺寸规格类似，也关系到性能与适用型，同样
12、也主要决定于散热片重量。“发热设备制造者们也对散热器的重量提出了要求，例如：Intel Socket-478接口的CPU要求散热器重量不超过450g，而AMD Socket-A接口的CPU如此要求散热器重量不超过300g。散热器的重量标准也只在其制订初期受到了“尊重，当时多数产品能够切实的执行。目前，如此只有OEM与低端产品尚符合此标准要求，而独立品牌高端散热器，尤其是高端CPU风冷散热器，为了取得更高的性能，根本“无视此标准的存在。它们毫不理会脆弱的半导体芯片与电路板的感受，积极的采用导热能力更强、密度更大的铜作为主体材料，放任体积的膨胀，体重的增加。因此，用户，尤其是玩家们如果选择了“壮硕
13、的高端风冷散热器，如此需要做好发生芯片碎裂、电路板断折等惨剧的心理准备，应在使用时采取适当的加固措施，减小芯片与电路板的负担。流动参数由于传统的风量散热器都需要风扇来强制对流散热，因此空气的流动参数，也是影响散热性能的重要指标之一。其实本局部应放到风扇技术介绍当中，但是考虑到参数的重要性，我们认为有必要将其放置在本期内容的第三局部当中。一个优质的风扇，是将散热器潜能发挥到极至的必要条件。风速风速即风扇出风口或进风口的空气流动速度，单位一般为m/s；仅是某一位置的速度数值，不能完全表现风扇的性能。风速在不同位置数值可能有较大差异，且平均值难以计算，一般不用来表示风扇的性能，仅在详细设计分析中才会
14、使用。相关元素：风速的上下主要取决于扇叶的形状、面积、高度以与转速。扇叶形状设计、面积、高度的影响较为复杂，将在后文说明；风扇转速越快，风速越快，如此是显而易见的常识，无需赘述。风速的上下会影响到风量以与噪音的大小。同样的过风面积，风速越高，风量越大；气流之间、空气与扇叶、外框、散热片之间的摩擦都会产生噪音，同样的风扇、散热片设计，噪音必然会随着风速的提升而增大。风量风量是风扇最重要的两项性能指标之一。风量即单位时间内通过风扇出风口或进风口截面的空气体积，单位一般为cfm，即立方英尺每分-cubic feet per minute，或cmm，即立方米每分- cubic metres per m
15、inute。风量是风扇性能的整体衡量指标，不受到尺寸、结构、方式的限制，也不限于直流无刷风扇，可适用于任何空气导流设备。相关元素：风量平均风速 x 过风面积。可见，风扇风量的大小根本取决于风速的上下与过风面积的大小。过风面积一样，风速越高，风量越大；风速一样，过风面积越大，风量越大。风冷散热器是依靠空气吹过散热片，利用热交换带走散热片上堆积热量的。显然，采用同样的散热片结构与空气流动方式，单位时间内通过的空气越多，带走的热量也就越多。因此，其它条件不变的情况下，可以说实际风量对风冷散热效果起着决定性的作用。风压风压是风扇最重要的两项性能指标之一。风压即风扇能够令出风口与入风口间产生的压强差，单
16、位一般为mmcm water column，即毫米厘米水柱类似于衡量大气压的毫米汞柱，但由于压强差较小，一般以水柱为单位。风压是衡量风扇“强劲程度的重要指标，如果将风量比作一把武器的挥击力量，那么风压就是这把武器的锋利程度。所转速越快，风压越大。风压既然是风扇最重要的两项性能指标之一，选择风扇时自然要特别注意。如果配合片状鳍片+风道式设计的散热片，一般不需太大的风压，即可保证空气顺畅流动，达到预期效果；如果配合典型的平行片状鳍片+顶吹式设计的散热片，如此要根据鳍片的密度和高度、鳍片间风槽的形状和长度选择具有足够风压的风扇；如果配合Alpha或Swiftech等密集柱状鳍片+顶吹式设计的散热片，就需要风扇具有较大的风压。
