散熱技術(shù)

學(xué)過中學(xué)物理的朋友都知道，熱傳遞主要有三種方式:

傳導(dǎo) : 物質(zhì)本身或當(dāng)物質(zhì)與物質(zhì)接觸時，能量的傳遞就被稱為熱傳導(dǎo)，這是最普遍的一種熱傳遞方式，由能量較低的粒子和能量較高的粒子直接接觸碰撞來傳遞能量。相對而言，熱傳導(dǎo)方式局限于固體和液體，因為氣體的分子構(gòu)成并不是很緊密，它們之間能量的傳遞被稱為熱擴散。

熱傳導(dǎo)的基本公式為"Q=K×A×ΔT/ΔL"。其中Q代表為熱量，也就是熱傳導(dǎo)所產(chǎn)生或傳導(dǎo)的熱量;K為材料的熱傳導(dǎo)系數(shù)，熱傳導(dǎo)系數(shù)類似比熱，但是又與比熱有一些差別，熱傳導(dǎo)系數(shù)與比熱成反比，熱傳導(dǎo)系數(shù)越高，其比熱的數(shù)值也就越低。舉例說明，純銅的熱傳導(dǎo)系數(shù)為396.4，而其比熱則為0.39;公式中A代表傳熱的面積(或是兩物體的接觸面積)、ΔT代表兩端的溫度差;ΔL則是兩端的距離。因此，從公式我們就可以發(fā)現(xiàn)，熱量傳遞的大小同熱傳導(dǎo)系數(shù)、熱傳熱面積成正比，同距離成反比。熱傳遞系數(shù)越高、熱傳遞面積越大，傳輸?shù)木嚯x越短，那么熱傳導(dǎo)的能量就越高，也就越容易帶走熱量。

對流 : 對流指的是流體(氣體或液體)與固體表面接觸，造成流體從固體表面將熱帶走的熱傳遞方式。

具體應(yīng)用到實際來看，熱對流又有兩種不同的情況，即:自然對流和強制對流。自然對流指的是流體運動，成因是溫度差，溫度高的流體密度較低，因此質(zhì)量輕，相對就會向上運動。相反地，溫度低的流體，密度高，因此向下運動，這種熱傳遞是因為流體受熱之后，或者說存在溫度差之后，產(chǎn)生了熱傳遞的動力;強制對流則是流體受外在的強制驅(qū)動(如風(fēng)扇帶動的空氣流動),驅(qū)動力向什么地方，流體就向什么地方運動，因此這種熱對流更有效率和可指向性。

熱對流的公式為"Q=H×A×ΔT"。公式中Q依舊代表熱量，也就是熱對流所帶走的熱量;H為熱對流系數(shù)值，A則代表熱對流的有效接觸面積;ΔT代表固體表面與區(qū)域流體之間的溫度差。因此熱對流傳遞中，熱量傳遞的數(shù)量同熱對流系數(shù)、有效接觸面積和溫度差成正比關(guān)系;熱對流系數(shù)越高、有效接觸面積越大、溫度差越高，所能帶走的熱量也就越多。

輻射 : 熱輻射是一種可以在沒有任何介質(zhì)的情況下，不需要接觸，就能夠發(fā)生熱交換的傳遞方式，也就是說，熱輻射其實就是以波的形式達到熱交換的目的。

既然熱輻射是通過波來進行傳遞的，那么勢必就會有波長、有頻率。不通過介質(zhì)傳遞就需要的物體的熱吸收率來決定傳遞的效率了，這里就存在一個熱輻射系數(shù)，其值介于0~1之間，是屬于物體的表面特性，而剛體的熱傳導(dǎo)系數(shù)則是物體的材料特性。一般的熱輻射的熱傳導(dǎo)公式為"Q =E×S×F×Δ(Ta-Tb)"。公式中Q代表熱輻射所交換的能力，E是物體表面的熱輻射系數(shù)。在實際中，當(dāng)物質(zhì)為金屬且表面光潔的情況下，熱輻射系數(shù)比較小，而把金屬表面進行處理后(比如著色)其表面熱輻射系數(shù)值就會提升。塑料或非金屬類的熱輻射系數(shù)值大部分都比較高。S是物體的表面積，F(xiàn)則是輻射熱交換的角度和表面的函數(shù)關(guān)系，但這里這個函數(shù)比較難以解釋。Δ(Ta-Tb)則是表面a的溫度同表面b之間的溫度差。因此熱輻射系數(shù)、物體表面積的大小以及溫度差之間都存在正比關(guān)系。

任何散熱器也都會同時使用以上三種熱傳遞方式，只是側(cè)重有所不同。以CPU散熱為例，熱由CPU工作不斷地散發(fā)出來，通過與其核心緊密接觸的散熱片底座以傳導(dǎo)的方式傳遞到散熱片，然后，到達散熱片的熱量，再通過其他方式如風(fēng)扇吹動將熱量送走。整個散熱過程包括4個環(huán)節(jié):第一是CPU，是熱源產(chǎn)生者;第二是散熱片，是熱的傳導(dǎo)體;第三是風(fēng)扇，是增加熱傳導(dǎo)和指向熱傳導(dǎo)的媒介;第四就是空氣，這是熱交換的最終流向。

一般說來，依照從散熱器帶走熱量的方式，可以將散熱器分為主動式散熱和被動式散熱。所謂的被動式散熱，是指通過散熱片將熱源如CPU產(chǎn)生的熱量自然散發(fā)到空氣中，其散熱的效果與散熱片大小成正比，但因為是自然散發(fā)熱量，效果當(dāng)然大打折扣，常常用在那些對空間沒有要求的設(shè)備中，或者用于為發(fā)熱量不大的部件散熱，如部分普及型主板在北橋上也采取被動式散熱。對于個人使用的PC機來說，絕大多數(shù)采取主動式散熱方式，主動式散熱就是通過風(fēng)扇等散熱設(shè)備強迫性地將散熱片發(fā)出的熱量帶走，其特點是散熱效率高，而且設(shè)備體積小。

對主動式散熱，從散熱方式上細分，可以分為風(fēng)冷散熱、液冷散熱、熱管散熱、半導(dǎo)體制冷、化學(xué)制冷等等。

風(fēng)冷

風(fēng)冷散熱是最常見的散熱方式，相比較而言，也是較廉價的方式。風(fēng)冷散熱從實質(zhì)上講就是使用風(fēng)扇帶走散熱器所吸收的熱量。具有價格相對較低，安裝方便等優(yōu)點。但對環(huán)境依賴比較高，例如氣溫升高以及超頻時其散熱性能就會大受影響。

液冷

液冷散熱是通過液體在泵的帶動下強制循環(huán)帶走散熱器的熱量，與風(fēng)冷相比，具有安靜、降溫穩(wěn)定、對環(huán)境依賴小等等優(yōu)點。液冷的價格相對較高，而且安裝也相對麻煩一些。同時安裝時盡量按照說明書指導(dǎo)的方法安裝才能獲得最佳的散熱效果。

出于成本及易用性的考慮，液冷散熱通常采用水做為導(dǎo)熱液體，因此液冷散熱器也常常被稱為水冷散熱器。

熱管

熱管屬于一種傳熱元件，它充分利用了熱傳導(dǎo)原理與致冷介質(zhì)的快速熱傳遞性質(zhì)，通過在全封閉真空管內(nèi)的液體的蒸發(fā)與凝結(jié)來傳遞熱量，具有極高的導(dǎo)熱性、良好的等溫性、冷熱兩側(cè)的傳熱面積可任意改變、可遠距離傳熱、可控制溫度等一系列優(yōu)點，并且由熱管組成的換熱器具有傳熱效率高、結(jié)構(gòu)緊湊、流體阻損小等優(yōu)點。其導(dǎo)熱能力已遠遠超過任何已知金屬的導(dǎo)熱能力。

真空腔均熱板散熱技術(shù)

真空腔均熱板技術(shù)從原理上類似于熱管，但在傳導(dǎo)方式上有所區(qū)別。熱管為一維線性熱傳導(dǎo)，而真空腔均熱板中的熱量則是在一個二維的面上傳導(dǎo)，因此效率更高。具體來說，真空腔底部的液體在吸收芯片熱量后，蒸發(fā)擴散至真空腔內(nèi)，將熱量傳導(dǎo)至散熱鰭片上，隨后冷凝為液體回到底部。這種類似冰箱空調(diào)的蒸發(fā)、冷凝過程在真空腔內(nèi)快速循環(huán)，實現(xiàn)了相當(dāng)高的散熱效率。 藍寶石Vapor-X 真空腔均熱板是市場可以見到的產(chǎn)品，有基于GPU和基于CPU兩種類型。

雙壓電冷卻噴射

美國通用電氣GE公司日前公布了一種突破性散熱技術(shù)，其體積堪比信用卡，可用于下一代超薄平板、筆記本之中。這種散熱器名為DCJ(Dual Piezoelectric Cooling Jets，雙壓電冷卻噴射)，可以理解為一個向電子設(shè)備噴射高速空氣的微流風(fēng)箱，DCJ發(fā)出的湍動空氣相比常規(guī)的對流空氣10倍提升了熱交換速率。 與現(xiàn)有的散熱設(shè)備相比，DCJ散熱器的厚度只有4mm，減少了50%，而功耗只需有風(fēng)扇散熱器的一半，另外其簡潔的架構(gòu)相比傳統(tǒng)散熱器也有著更高的可靠性及可維護性。

桑迪亞散熱器(空氣軸承熱交換器)

這種"桑迪亞散熱器"(Sandia Cooler)又叫做"空氣軸承熱交換器"(Air Bearing Heat Exchanger)，最大特點就是讓靜止不動的散熱片高速轉(zhuǎn)了起來。傳統(tǒng)CPU散熱器中最大的熱交換瓶頸就是附著在散熱片上的死氣(dead air)邊界層，而在桑迪亞散熱器中，熱量通過一個厚度僅僅0.001英寸(25微米)的狹窄空隙從靜止不動的底座上高效轉(zhuǎn)移到旋轉(zhuǎn)的散熱片結(jié)構(gòu)上。包裹著散熱片的空氣靜止邊界層有著強大的離心泵效應(yīng)，使得邊界厚度只有普通情況下的十分之一，從而在更小的空間內(nèi)顯著提升散熱效率。高速旋轉(zhuǎn)的熱交換散熱片也基本不存在"藏污納垢"的問題，不會像傳統(tǒng)散熱器那樣隨著時間的流逝積攢一堆難以清除的灰塵。另外，散熱片切割空氣的方式也經(jīng)過了重新設(shè)計，從而大大提升空氣動力效率，噪音極低。

半導(dǎo)體制冷

半導(dǎo)體制冷就是利用一種特制的半導(dǎo)體制冷片在通電時產(chǎn)生溫差來制冷，只要高溫端的熱量能有效的散發(fā)掉，則低溫端就不斷的被冷卻。在每個半導(dǎo)體顆粒上都產(chǎn)生溫差，一個制冷片由幾十個這樣的顆粒串聯(lián)而成，從而在制冷片的兩個表面形成一個溫差。利用這種溫差現(xiàn)象，配合風(fēng)冷/水冷對高溫端進行降溫，能得到優(yōu)秀的散熱效果。

半導(dǎo)體制冷具有制冷溫度低、可靠性高等優(yōu)點，冷面溫度可以達到零下10℃以下，但是成本太高，而且可能會因溫度過低導(dǎo)致CPU結(jié)露造成短路，而且半導(dǎo)體制冷片的工藝也不成熟，不夠?qū)嵱谩?/p>

化學(xué)制冷

所謂化學(xué)制冷，就是使用一些超低溫化學(xué)物質(zhì)，利用它們在融化的時候吸收大量的熱量來降低溫度。這方面以使用干冰和液氮較為常見。比如使用干冰可以將溫度降低到零下20℃以下，還有一些更"變態(tài)"的玩家利用液氮將CPU溫度降到零下100℃以下(理論上)，當(dāng)然由于價格昂貴和持續(xù)時間太短，這個方法多見于實驗室或極端的超頻愛好者。

提高散熱片的熱傳導(dǎo)能力 無論采取哪種散熱方式，都要首先解決如何高效地將熱量從熱源如CPU快速轉(zhuǎn)移到散熱本體上的問題，如對風(fēng)冷散熱而言，其需要將CPU產(chǎn)生的熱量以熱傳導(dǎo)轉(zhuǎn)移到散熱片，然后由風(fēng)扇高速轉(zhuǎn)動將絕大部分熱量通過對流(包括強制對流和自然對流)的方式帶走;對液冷散熱同樣如此。在這個過程中，輻射方式直接散發(fā)的熱量是極少的，而起決定作用的則是第一步，提高熱傳導(dǎo)的效率，將熱量帶離熱源。

要提高熱傳導(dǎo)的效率，根據(jù)"Q=K×A×ΔT/ΔL"的公式，熱傳導(dǎo)能力與散熱片的熱傳導(dǎo)系數(shù)、接觸面積和溫差成正比，與結(jié)合距離成反比。我們下面逐一對此進行探討。

散熱器材質(zhì) 注:在此部分我們所討論是與散熱器傳導(dǎo)能力有關(guān)的部分，即一般意義上的散熱器底座，而非整個散熱器。尤其在探討風(fēng)冷散熱時這比較容易混淆，因為對風(fēng)冷而言其底座與鰭片大多為一體，但這二者所承擔(dān)的功能與技術(shù)實現(xiàn)是完全不同的:散熱片的底座是與CPU接觸，其功能在于吸收熱量并將其傳導(dǎo)到具有高熱容量導(dǎo)體即鰭片，而鰭片則是傳導(dǎo)過程的終點，通過巨大的散熱面積與空氣進行熱交換，最終將熱量散失到空氣中，這是兩個相互獨立的部分，當(dāng)然，如何恰當(dāng)?shù)貙⒍呓Y(jié)合起來便是廠商的功力所地了。

CPU的Die通常不到2平方厘米，但功耗卻達到幾十、上百瓦，如果不能及時將熱量傳導(dǎo)出去，熱量一旦在Die中積聚，將會導(dǎo)致嚴(yán)重的后果。

對散熱器來說，最重要的是其底座能夠在短時間內(nèi)能盡可能多的吸收CPU釋放的熱量，即瞬間吸熱能力，這只有具備高熱傳導(dǎo)系數(shù)的金屬才能勝任。對于金屬導(dǎo)熱材料而言，比熱和熱傳導(dǎo)系數(shù)是兩個重要的參數(shù)。

我們都知道，電子器件的工作溫度直接決定其使用壽命和穩(wěn)定性。要讓PC各部件的工作溫度保持在合理的范圍內(nèi)，除了保證PC工作環(huán)境的溫度在合理范圍內(nèi)之外，還必須要對其進行散熱處理。尤其對CPU而言，如果用戶進行了超頻，要保證其穩(wěn)定地工作更必須有效地散熱。