揭開散熱鰭片的神秘面紗：基礎(chǔ)熱學(xué)

1、序論：

隨著計(jì)算機(jī)中央處理器的頻率不斷成長(zhǎng)，中央處理器產(chǎn)生的熱量也越來越驚人，古早的中央處理器不需要散熱片，而現(xiàn)今的產(chǎn)品則是不安裝散熱片可能會(huì)燒毀，臺(tái)灣被稱為信息硬件的制造王國，計(jì)算機(jī)的DIY風(fēng)氣極為盛行，而計(jì)算機(jī)硬件的超頻也跟著大行其道，為了將中央處理器的頻率能夠跑的更高，廠商跟著不斷的推出各式各樣的散熱器，網(wǎng)絡(luò)上千奇百怪的超頻理論紛紛出籠，在本文中不討論如何進(jìn)行超頻，而是針對(duì)目前市面上最常見的鰭片結(jié)構(gòu)之空冷散熱器，嘗試以經(jīng)過學(xué)術(shù)驗(yàn)證的流體力學(xué)和熱傳學(xué)理論，來探討其設(shè)計(jì)與性能之優(yōu)劣，并希望能夠提供讀者一些正確的觀念，并導(dǎo)正一些常見的散熱謬論。

致謝: 感謝sarion 先生在文字、文意上的斟酌與校稿

2、理論基礎(chǔ)：

所有物體的熱傳可以分成三種：熱傳導(dǎo)、熱對(duì)流及熱輻射。一般而言，熱輻射出去的能量太小，所以可以忽略不計(jì)。因此在散熱鰭片里，最重要的兩個(gè)熱傳機(jī)制就是熱傳導(dǎo)及熱對(duì)流。在一般計(jì)算機(jī)的散熱裝置里，熱傳導(dǎo)的重要性并不亞于熱對(duì)流，因?yàn)檫@是能否將芯片產(chǎn)生的能量傳送到鰭片的重要因素，但是想要降低溫度，熱對(duì)流就占有很大的影響要素。因?yàn)槟芰渴怯闪黧w靠著對(duì)流的現(xiàn)象[無論是強(qiáng)制對(duì)流或是自然對(duì)流]，把芯片產(chǎn)生的能量給帶走。

3、比熱及熱傳導(dǎo)系數(shù)：

比熱跟熱傳導(dǎo)系數(shù)這是兩種不同的量值，但是很多人卻將他們給搞混了。

比熱的定義為：?jiǎn)挝毁|(zhì)量下需要輸入多少能量才能使溫度上升一度K ()，

而熱傳導(dǎo)系數(shù)的定義為：每單位長(zhǎng)度、每度K，可以傳送多少瓦數(shù)的能量()。

簡(jiǎn)單說來，比熱的定義是指出整體內(nèi)能的變化，但是熱傳導(dǎo)系數(shù)卻是傳送能量的能力。常看到某些硬件測(cè)試文章的作者，在文章中提到：「某材料吸熱快散熱慢，所以如何如何」，筆者看到"吸熱快散熱慢"這六個(gè)字實(shí)在大惑不解，翻遍了手上有的Heat Transfer 書籍，甚至是Journal of Heat Transfer、Journal of Heat and Mass Transfer等期刊也沒有看過類似的理論。

抱持吸熱快散熱慢理論的硬件測(cè)試文章作者，多是觀察了幾個(gè)散熱器的溫度升降狀態(tài)就做出某某材料會(huì)吸熱快散熱慢的推論，殊不知吸熱快散熱慢最多只能用來描述某散熱片在某特定時(shí)間下的狀態(tài)， 但是將吸熱快散熱慢當(dāng)成是某種材料的特性，那就犯了常見以特例論證通則的邏輯謬誤。

由最基本的能量守恒觀念來看，一個(gè)系統(tǒng)如果吸熱快散熱慢，這表示在單位時(shí)間內(nèi)進(jìn)入此系統(tǒng)的熱能一直大于離開此系統(tǒng)的熱能，此系統(tǒng)內(nèi)的熱能將不斷的增加，系統(tǒng)溫度就會(huì)上升，如果吸熱快散熱慢是這個(gè)系統(tǒng)的特性的話， 這個(gè)系統(tǒng)會(huì)出現(xiàn)溫度不斷上升，直到整個(gè)系統(tǒng)無法負(fù)荷更多熱能而整個(gè)燒毀的狀況。

但是事實(shí)不會(huì)出現(xiàn)這樣的狀況，因?yàn)槲?散熱快慢跟熱傳導(dǎo)系數(shù)、熱對(duì)流系數(shù)及溫度梯度有關(guān)聯(lián)，吸/散熱快慢是不斷在變化的，沒有一個(gè)系統(tǒng)會(huì)有吸熱快散熱慢的特性，假設(shè)一個(gè)系統(tǒng)A原本處于向系統(tǒng)B吸取熱快，將熱散到系統(tǒng)C慢的情況下，系統(tǒng)A溫度會(huì)不斷的上升，如此A與B間溫度梯度變小，吸熱就會(huì)變慢，A與C間溫度梯度則變大，散熱就會(huì)變快，因此系統(tǒng)A會(huì)由吸熱快散熱慢的狀態(tài)逐漸變成吸/散熱速度相等的狀態(tài)，一直到穩(wěn)態(tài)時(shí)就會(huì)變成吸散熱速度相等，系統(tǒng)A的溫度不會(huì)變化。

4、長(zhǎng)條型鰭片和圓柱型鰭片：

在散熱器本身的熱傳里，有這一個(gè)相當(dāng)重要的因素：流體流動(dòng)。而長(zhǎng)條型鰭片跟圓柱型鰭片的差距，就是流體的流動(dòng)。在圓柱型鰭片周圍，因?yàn)榱黧w的阻力較小，流體容易流動(dòng)，也因此容易帶走在圓柱的能量，加強(qiáng)了對(duì)流的效果，因此在相同面積的散熱鰭片里，圓柱型鰭片都會(huì)比長(zhǎng)條型鰭片有著更好的熱傳效果。這一方面的應(yīng)用實(shí)例如：Swiftech MC462。

圓柱型鰭片：Swiftech MC462

長(zhǎng)條型鰭片：

差異性。

5、散熱器底座厚薄? 熱阻的概念：

散熱器底座對(duì)于熱傳是否有影響? 有很多人會(huì)人為沒有。其實(shí)這是因?yàn)楝F(xiàn)階段鰭片使用的金屬的熱傳導(dǎo)系數(shù)較高(鋁、銅)，外加厚度不明顯，所以影響不容易看出來。有興趣的人可以做一個(gè)實(shí)驗(yàn)，拿一塊鐵塊，高度1公尺，然后在鐵塊周圍用干毛巾包起來，然后上層再用一散熱鰭片來作散熱。如此一開機(jī)，筆者幾乎可以保證，不需要太久就會(huì)當(dāng)機(jī)了。為什么? 因?yàn)殍F塊的熱傳導(dǎo)系數(shù)雖然也頗高，但是在鐵塊內(nèi)部還是會(huì)有溫度梯度的存在。雖然鐵塊內(nèi)部可以容納頗多的能量，但是上層的散熱鰭片不能得到較高的溫度梯度，使得熱逸散的能力近乎沒有，而底部的芯片一直在傳送能量給鐵塊，導(dǎo)致兩端的溫差越來越大，終于突破芯片可以忍受的最高溫度而導(dǎo)致當(dāng)機(jī)。而這塊鐵塊就是熱阻。當(dāng)然也可以把這鐵塊換成寶麗龍，或是空氣，這當(dāng)機(jī)的速度就會(huì)越明顯。

講到這邊筆者想就會(huì)有很多人可以舉一反三，了解扣具的用意在哪了?？劬卟恢皇菍Ⅵ捚潭ㄔ谛酒厦?，他的作用也是降低熱阻。熱阻跟壓力也成逆相關(guān)。壓力越大熱阻越小。那壓力越大不就越好? 假如芯片可以承受，那就很完美，但是這世界卻不是這樣完美的。因此就有人在芯片跟鰭片之間涂抹散熱膏來填補(bǔ)芯片跟鰭片之間的空隙，降低熱阻。當(dāng)然，如果芯片跟鰭片兩接觸平面是完美的平面，那熱阻可以說是沒有，也因?yàn)槭澜绲牟煌昝溃詿o法達(dá)成完美的接觸平面，所以就有人會(huì)特地替鰭片作提高平面度的工作。這些都是為了讓熱阻降低，增加芯片跟鰭片之間的熱傳。不過，筆者建議不要太過火了，因?yàn)檫@項(xiàng)工作只達(dá)成了熱傳導(dǎo)，卻達(dá)不成熱逸散。

但這邊卻有一特殊的應(yīng)用：銅底。為什么要在鰭片底部加一薄銅片?原因很簡(jiǎn)單，因?yàn)殂~的熱傳導(dǎo)系數(shù)比鋁高，所以可以更均勻的將能量傳送到鋁鰭片的四周外圍鰭片。這是因?yàn)殇X本身的熱傳導(dǎo)系數(shù)不是無限大，所以在鋁鰭片里面會(huì)有溫度梯度的存在：中心溫度較高，四周溫度較低。然而熱傳的一個(gè)重要因素就是溫度梯度，如此一來雖然中心有著較高的熱傳效果，但是鰭片四周卻比中心的熱傳效果差，導(dǎo)致整體熱傳效果的減低。因此使用銅片來解決這溫度梯度的不均勻問題。雖然銅片增加了熱阻，但是增加了一點(diǎn)點(diǎn)的熱阻卻大大加強(qiáng)了整體鰭片的溫度均勻分布，可以說得多于失。

除了銅底，也有人使用銅柱﹙ex：下圖的 ARKUA 7528﹚，當(dāng)然這也是相同的原理。但是使用銅柱時(shí)，對(duì)于氣流的處理必須更加注意，不然軸流風(fēng)機(jī)的氣流一出來馬上就被銅柱給擋回去，形成回流造成能量的損耗。

 

6、高頻噪音：風(fēng)速對(duì)熱傳的影響

筆者認(rèn)為大部分的人都知道風(fēng)速越大，熱傳效果越好。理論上如此，實(shí)際上也如此 [考慮直接吹入芯片的進(jìn)氣方式，不考慮其它方式，因?yàn)槠渌绞讲灰欢〞?huì)有比較好的結(jié)果，這還得考慮回流區(qū)對(duì)于鰭片的影響] 。因?yàn)轱L(fēng)速越高，熱對(duì)流效應(yīng)越強(qiáng)烈。但是這有幾個(gè)問題，是否一定只有高風(fēng)速才會(huì)對(duì)熱傳有絕對(duì)性的影響? 是否只有高頻噪音才會(huì)帶來高風(fēng)量? 風(fēng)量是不是可以毫無限制的提高? 的確，風(fēng)速對(duì)于熱傳的影響可以說接近絕對(duì)：在一定的速度之下。為什么? 大家想想航天飛機(jī)的隔熱磚就知道了。當(dāng)流體磨擦所損耗的能量大于所能帶走的能量之后，那么就會(huì)見到鰭片溫度越來越高，甚至融化。不過這種終極的速度已經(jīng)在音速以上了[以空氣而言，其它流體不一定]。這也就是說可以不用考慮這樣的影響。如果，能以其它比空氣黏滯性系數(shù)還低的氣體來當(dāng)作進(jìn)氣，那么就能以較低的風(fēng)速得到一個(gè)一樣的散熱結(jié)果。此外，改變氣體密度，渠道[假設(shè)CPU散熱裝置為一矩形渠道]寬度也能得到一樣的結(jié)果。歸納這些考慮因素，可以得到一個(gè)無因次化[就是把所有的質(zhì)量、長(zhǎng)度、時(shí)間等因次項(xiàng)給消掉的純量值]參數(shù)：Reynolds number(Re)。 這就是影響熱傳最主要的因素。一般廠商都是直接增加Reynolds number 來改善熱傳，因?yàn)檫@最簡(jiǎn)單，最不需要花時(shí)間設(shè)計(jì)鰭片。[Ex:冰天X地 ]

那是否只有高頻噪音才能帶來高風(fēng)量? 這答案一定是否定的。大家想想，電風(fēng)扇的風(fēng)量夠大吧? 那種掛在天花板的大風(fēng)機(jī)風(fēng)量也很足夠，但是轉(zhuǎn)速就是很慢。這就是作用面積的影響。假如使用一個(gè)類似漏斗的東西，將大風(fēng)扇的風(fēng)收集轉(zhuǎn)成小面積吹入鰭片里，如此一來不但能降低噪音，也能得到足夠或是更高的風(fēng)量，而這就是大轉(zhuǎn)小風(fēng)罩的原理：因?yàn)榱髁渴歉娣e和速度成正比。

還有一個(gè)問題就是風(fēng)速是否能毫無限制的增加? 假如風(fēng)扇不變大，單純使用軸流風(fēng)扇的情況下，筆者可以說這是不可能的。這就得考慮到另外一個(gè)觀念：邊界層分離。什么是邊界層分離現(xiàn)象? 筆者想大家都有看過在河流里面的樹枝，當(dāng)水流流速達(dá)到一定程度時(shí)，樹枝的后半表面會(huì)開始形成一個(gè)渦流的現(xiàn)象[不是背后，是表面]，而這個(gè)現(xiàn)象就是邊界層分離。當(dāng)風(fēng)扇轉(zhuǎn)速達(dá)到一定程度時(shí)，空氣也會(huì)在葉片表面形成此現(xiàn)象，當(dāng)此現(xiàn)象越來越嚴(yán)重時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生失速的現(xiàn)象，這也就是說風(fēng)扇再怎樣輸入能量得到更高的轉(zhuǎn)動(dòng)都不能得到更高的風(fēng)量，甚至?xí)玫椒葱Ч?。這也就是說不改變鰭片外型，鰭片的熱傳能力是有上限的。

7、鰭片長(zhǎng)度的影響? 鰭片效率的概念：

鰭片是否越長(zhǎng)越好? 理論上是，但是必須考慮到他的效率問題。因?yàn)檫@跟成本有很大的關(guān)聯(lián)。然而要如何考慮鰭片效率? 這方面的數(shù)學(xué)型式頗重，這篇不是學(xué)術(shù)性的報(bào)告，所以筆者只指出他的相關(guān)性參數(shù)：熱對(duì)流系數(shù)、鰭片長(zhǎng)度、整體面積、熱傳導(dǎo)系數(shù)，周長(zhǎng)。因?yàn)閿?shù)學(xué)模式并不簡(jiǎn)單，所以筆者并不想詳細(xì)介紹。一般說來長(zhǎng)度越長(zhǎng)，鰭片效率越差，熱傳導(dǎo)系數(shù)越高，鰭片效率越好。這也就是說使用銅做成的鰭片會(huì)比同造型的鋁鰭片有著更好的效率，面積越大的鰭片也會(huì)有較好的鰭片效率。

8、熱傳的原罪：熱邊界層的概念：

什么是熱邊界層? 簡(jiǎn)單的說，就是流體在物體表面產(chǎn)生對(duì)流效應(yīng)時(shí)，因?yàn)榱黧w的熱傳導(dǎo)系數(shù)很差，接觸物體表面的流體無法順利的將能量傳送給上層的流體，所以流體和物體表面作用出一層溫度較其它流體高的流體，而這層流體就稱作熱邊界層。因?yàn)檫@層流體因?yàn)闇囟容^高，阻礙了較冷流體和物體表面的對(duì)流，降低了熱傳的效果。這代表什么意思呢? 筆者想用抽風(fēng)跟吹風(fēng)的差別會(huì)比較容易了解他的內(nèi)涵：為了增強(qiáng)鰭片的散熱效果，建議將最低溫的流體直接流入最高溫的鰭片上。因?yàn)闊徇吔鐚拥某砷L(zhǎng)，會(huì)導(dǎo)致熱傳效果的降低，如果將最低溫的流體流進(jìn)最低溫的鰭片上，這樣就會(huì)導(dǎo)致流體流到在最高溫鰭片底部，因?yàn)闊徇吔鐚拥挠绊懚韪袅溯^低溫流體跟高溫鰭片的熱交換，進(jìn)而降低了熱傳的效果。

9、實(shí)戰(zhàn)篇：

在眾多的鰭片中，要如何選購一顆可以勝任高發(fā)熱芯片的散熱裝置呢?其實(shí)，這并不難，只要使用熱傳學(xué)的觀點(diǎn)來看，好與不好幾乎一眼就可以看穿了。首先，拿到一顆鰭片，我們必須先考慮流體在鰭片內(nèi)部好不好流動(dòng)? 光這一點(diǎn)就可以幾乎剔除了現(xiàn)階段市面上可以看到的所有鰭片了。因?yàn)槊苊苈槁榈木匦螚l狀鰭片跟放射性鰭片，甚至是圓柱型鰭片相比，流體在矩形條狀鰭片里的流動(dòng)性實(shí)在是太差，所以只好瘋狂的增加風(fēng)量，增加面積來解決這問題。再來，考慮材質(zhì)，因?yàn)檫@對(duì)于鰭片的效率有著相當(dāng)高程度的影響，這也是為什么在高發(fā)熱芯片的世界里，鋁制鰭片越來越難存活的原因?？紤]鰭片表面的光滑性，粗操的表面可以得到較好的效果，考慮風(fēng)扇的風(fēng)量，使用高風(fēng)量的鰭片會(huì)有著較好的散熱效果。考慮整體溫度的均勻性，假如銅鰭片底部加裝銀底如同鋁鰭片底部加裝銅底一般，這樣也會(huì)有較好的效果。

此外，假如鰭片上方有風(fēng)罩的設(shè)計(jì)，這對(duì)于散熱是有幫助的，氣體的流動(dòng)方向，一般而言，抽出氣體的方式會(huì)比吹入氣體的方式有著較佳的散熱效果。但是一使用抽出氣體的方式來散熱，氣體的流動(dòng)性會(huì)變得相當(dāng)重要，因?yàn)槌槌鰵怏w會(huì)使得鰭片周圍變成負(fù)壓區(qū)，但是負(fù)壓區(qū)很小，造成能流體有在流動(dòng)的區(qū)域也相對(duì)的變小，假如沒有控制好流體的流動(dòng)，會(huì)導(dǎo)致底部的高溫區(qū)域得不到氣體的流動(dòng)，這樣是得不償失的。

ex：采風(fēng)罩設(shè)計(jì)的散熱器：

10、結(jié)論：

寫了這篇，只是希望大家能得到較正確的熱傳觀念，不要被沒受過正統(tǒng)的熱流教育，滿腦子只有想象的幾位硬件文章作家所誤導(dǎo)。流體力學(xué)跟熱傳學(xué)的世界里，經(jīng)驗(yàn)常常是會(huì)出差錯(cuò)的，因?yàn)樗麄冎荒芸吹奖砻?，卻看不到其中所內(nèi)涵的道理。這就像是大家看到鳥揮動(dòng)翅膀就可飛行，但是自己怎樣的揮動(dòng)翅膀就是飛不起來一樣。因?yàn)樗麄冎豢吹奖砻?，卻沒看到鳥類為了飛行所達(dá)成的演進(jìn)，及其中流體的流動(dòng)，利用上升氣流的幫助等力學(xué)原理。

此外筆者省略了熱管及層流、紊流對(duì)于熱傳上的影響及其不同，熱管是因?yàn)楣P者接觸的不多，怕產(chǎn)生誤導(dǎo)而省略，層流及紊流是因?yàn)閮?nèi)涵的數(shù)學(xué)觀念更多，講下去睡著的人可能有一大半了。

11、參考書籍：

1. Bruce R. Munson, Donald F. Young, 'Fundamentals of Fluid Mechanics', 2nd edition,John Wiley & Sons, New York, 1994. 2. Frank P. Incropera, David P. Dewitt, 'Fundamentals of Heat and Mass Transfer'4th edition, John Wiley & Sons, New York,1996. 3. A. F. Mills, 'Heat Transfer', 2nd edition, Prentice Hall, 1999. 4. Cengel Boles, 'Thermodynamics' 3rd eon, McGraw-Hill, 1998.

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