散热技术

PC计算机散热技术

‌散热技术‌是指通过各种方式将设备或系统产生的热量传递到环境中，以防止过热并保护其正常工作的技术和方法。

定义

我们都知道，电子器件的工作温度直接决定其使用寿命和稳定性。要让PC各部件的工作温度保持在合理的范围内，除了保证PC工作环境的温度在合理范围内之外，还必须要对其进行散热处理。尤其对CPU而言，如果用户进行了超频，要保证其稳定地工作更必须有效地散热。

热传递的原理

虽然我们常将热称为热能，但热从严格意义上来说并不能算是一种能量，而只是一种传递能量的方式。从微观来看，区域内分子受到外界能量冲击后，由能量高的区域分子传递至能量低的区域分子，因此在物理界普遍认为能量的传递就是热。当然热最重要的过程或者形式就是热的传递了。

方式

学过中学物理的朋友都知道，热传递主要有三种方式：

传导 : 物质本身或当物质与物质接触时，能量的传递就被称为热传导，这是最普遍的一种热传递方式，由能量较低的粒子和能量较高的粒子直接接触碰撞来传递能量。相对而言，热传导方式局限于固体和液体，因为气体的分子构成并不是很紧密，它们之间能量的传递被称为热扩散。

热传导的基本公式为“Q=K×A×ΔT/ΔL”。其中Q代表为热量，也就是热传导所产生或传导的热量；K为材料的热传导系数，热传导系数类似比热，但是又与比热有一些差别，热传导系数与比热成反比，热传导系数越高，其比热的数值也就越低。举例说明，纯铜的热传导系数为396.4，而其比热则为0.39；公式中A代表传热的面积(或是两物体的接触面积)、ΔT代表两端的温度差；ΔL则是两端的距离。因此，从公式我们就可以发现，热量传递的大小同热传导系数、热传热面积成正比，同距离成反比。热传递系数越高、热传递面积越大，传输的距离越短，那么热传导的能量就越高，也就越容易带走热量。

对流 : 对流指的是流体(气体或液体)与固体表面接触，造成流体从固体表面将热带走的热传递方式。

具体应用到实际来看，热对流又有两种不同的情况，即：自然对流和强制对流。自然对流指的是流体运动，成因是温度差，温度高的流体密度较低，因此质量轻，相对就会向上运动。相反地，温度低的流体，密度高，因此向下运动，这种热传递是因为流体受热之后，或者说存在温度差之后，产生了热传递的动力；强制对流则是流体受外在的强制驱动（如风扇带动的空气流动）,驱动力向什么地方，流体就向什么地方运动，因此这种热对流更有效率和可指向性。

热对流的公式为“Q=H×A×ΔT”。公式中Q依旧代表热量，也就是热对流所带走的热量；H为热对流系数值，A则代表热对流的有效接触面积；ΔT代表固体表面与区域流体之间的温度差。因此热对流传递中，热量传递的数量同热对流系数、有效接触面积和温度差成正比关系；热对流系数越高、有效接触面积越大、温度差越高，所能带走的热量也就越多。

辐射 : 热辐射是一种可以在没有任何介质的情况下，不需要接触，就能够发生热交换的传递方式，也就是说，热辐射其实就是以波的形式达到热交换的目的。

既然热辐射是通过波来进行传递的，那么势必就会有波长、有频率。不通过介质传递就需要的物体的热吸收率来决定传递的效率了，这里就存在一个热辐射系数，其值介于0～1之间，是属于物体的表面特性，而刚体的热传导系数则是物体的材料特性。一般的热辐射的热传导公式为“Q =E×S×F×Δ(Ta－Tb)”。公式中Q代表热辐射所交换的能力，E是物体表面的热辐射系数。在实际中，当物质为金属且表面光洁的情况下，热辐射系数比较小，而把金属表面进行处理后（比如着色）其表面热辐射系数值就会提升。塑料或非金属类的热辐射系数值大部分都比较高。S是物体的表面积，F则是辐射热交换的角度和表面的函数关系，但这里这个函数比较难以解释。Δ(Ta－Tb)则是表面a的温度同表面b之间的温度差。因此热辐射系数、物体表面积的大小以及温度差之间都存在正比关系。

任何散热器也都会同时使用以上三种热传递方式，只是侧重有所不同。以CPU散热为例，热由CPU工作不断地散发出来，通过与其核心紧密接触的散热片底座以传导的方式传递到散热片，然后，到达散热片的热量，再通过其他方式如风扇吹动将热量送走。整个散热过程包括4个环节：第一是CPU，是热源产生者；第二是散热片，是热的传导体；第三是风扇，是增加热传导和指向热传导的媒介；第四就是空气，这是热交换的最终流向。

一般说来，依照从散热器带走热量的方式，可以将散热器分为主动式散热和被动式散热。所谓的被动式散热，是指通过散热片将热源如CPU产生的热量自然散发到空气中，其散热的效果与散热片大小成正比，但因为是自然散发热量，效果当然大打折扣，常常用在那些对空间没有要求的设备中，或者用于为发热量不大的部件散热，如部分普及型主板在北桥上也采取被动式散热。对于个人使用的PC机来说，绝大多数采取主动式散热方式，主动式散热就是通过风扇等散热设备强迫性地将散热片发出的热量带走，其特点是散热效率高，而且设备体积小。

散热方式

对主动式散热，从散热方式上细分，可以分为风冷散热、液冷散热、热管散热、半导体制冷、化学制冷等等。

风冷

风冷散热是最常见的散热方式，相比较而言，也是较廉价的方式。风冷散热从实质上讲就是使用风扇带走散热器所吸收的热量。具有价格相对较低，安装方便等优点。但对环境依赖比较高，例如气温升高以及超频时其散热性能就会大受影响。

液冷

液冷散热是通过液体在泵的带动下强制循环带走散热器的热量，与风冷相比，具有安静、降温稳定、对环境依赖小等等优点。液冷的价格相对较高，而且安装也相对麻烦一些。同时安装时尽量按照说明书指导的方法安装才能获得最佳的散热效果。

出于成本及易用性的考虑，液冷散热通常采用水做为导热液体，因此液冷散热器也常常被称为水冷散热器。

热管

热管属于一种传热元件，它充分利用了热传导原理与致冷介质的快速热传递性质，通过在全封闭真空管内的液体的蒸发与凝结来传递热量，具有极高的导热性、良好的等温性、冷热两侧的传热面积可任意改变、可远距离传热、可控制温度等一系列优点，并且由热管组成的换热器具有传热效率高、结构紧凑、流体阻损小等优点。其导热能力已远远超过任何已知金属的导热能力。

真空腔均热板散热技术

真空腔均热板技术从原理上类似于热管，但在传导方式上有所区别。热管为一维线性热传导，而真空腔均热板中的热量则是在一个二维的面上传导，因此效率更高。具体来说，真空腔底部的液体在吸收芯片热量后，蒸发扩散至真空腔内，将热量传导至散热鳍片上，随后冷凝为液体回到底部。这种类似冰箱空调的蒸发、冷凝过程在真空腔内快速循环，实现了相当高的散热效率。蓝宝石Vapor-X 真空腔均热板是市场可以见到的产品，有基于GPU和基于CPU两种类型。

双压电冷却喷射

美国通用电气GE公司日前公布了一种突破性散热技术，其体积堪比信用卡，可用于下一代超薄平板、笔记本之中。这种散热器名为DCJ（Dual Piezoelectric Cooling Jets，双压电冷却喷射），可以理解为一个向电子设备喷射高速空气的微流风箱，DCJ发出的湍动空气相比常规的对流空气10倍提升了热交换速率。与现有的散热设备相比，DCJ散热器的厚度只有4mm，减少了50%，而功耗只需有风扇散热器的一半，另外其简洁的架构相比传统散热器也有着更高的可靠性及可维护性。

桑迪亚散热器（空气轴承热交换器）

这种“桑迪亚散热器”(Sandia Cooler)又叫做“空气轴承热交换器”(Air Bearing Heat Exchanger)，最大特点就是让静止不动的散热片高速转了起来。传统CPU散热器中最大的热交换瓶颈就是附着在散热片上的死气(dead air)边界层，而在桑迪亚散热器中，热量通过一个厚度仅仅0.001英寸(25微米)的狭窄空隙从静止不动的底座上高效转移到旋转的散热片结构上。包裹着散热片的空气静止边界层有着强大的离心泵效应，使得边界厚度只有普通情况下的十分之一，从而在更小的空间内显著提升散热效率。高速旋转的热交换散热片也基本不存在“藏污纳垢”的问题，不会像传统散热器那样随着时间的流逝积攒一堆难以清除的灰尘。另外，散热片切割空气的方式也经过了重新设计，从而大大提升空气动力效率，噪音极低。

半导体制冷

半导体制冷就是利用一种特制的半导体制冷片在通电时产生温差来制冷，只要高温端的热量能有效的散发掉，则低温端就不断的被冷却。在每个半导体颗粒上都产生温差，一个制冷片由几十个这样的颗粒串联而成，从而在制冷片的两个表面形成一个温差。利用这种温差现象，配合风冷/水冷对高温端进行降温，能得到优秀的散热效果。

半导体制冷具有制冷温度低、可靠性高等优点，冷面温度可以达到零下10℃以下，但是成本太高，而且可能会因温度过低导致CPU结露造成短路，而且半导体制冷片的工艺也不成熟，不够实用。

化学制冷

所谓化学制冷，就是使用一些超低温化学物质，利用它们在融化的时候吸收大量的热量来降低温度。这方面以使用干冰和液氮较为常见。比如使用干冰可以将温度降低到零下20℃以下，还有一些更“变态”的玩家利用液氮将CPU温度降到零下100℃以下（理论上），当然由于价格昂贵和持续时间太短，这个方法多见于实验室或极端的超频爱好者。

提高散热片的热传导能力　无论采取哪种散热方式，都要首先解决如何高效地将热量从热源如CPU快速转移到散热本体上的问题，如对风冷散热而言，其需要将CPU产生的热量以热传导转移到散热片，然后由风扇高速转动将绝大部分热量通过对流(包括强制对流和自然对流)的方式带走；对液冷散热同样如此。在这个过程中，辐射方式直接散发的热量是极少的，而起决定作用的则是第一步，提高热传导的效率，将热量带离热源。

要提高热传导的效率，根据“Q=K×A×ΔT/ΔL”的公式，热传导能力与散热片的热传导系数、接触面积和温差成正比，与结合距离成反比。我们下面逐一对此进行探讨。

散热器材质　注：在此部分我们所讨论是与散热器传导能力有关的部分，即一般意义上的散热器底座，而非整个散热器。尤其在探讨风冷散热时这比较容易混淆，因为对风冷而言其底座与鳍片大多为一体，但这二者所承担的功能与技术实现是完全不同的：散热片的底座是与CPU接触，其功能在于吸收热量并将其传导到具有高热容量导体即鳍片，而鳍片则是传导过程的终点，通过巨大的散热面积与空气进行热交换，最终将热量散失到空气中，这是两个相互独立的部分，当然，如何恰当地将二者结合起来便是厂商的功力所地了。

CPU的Die通常不到2平方厘米，但功耗却达到几十、上百瓦，如果不能及时将热量传导出去，热量一旦在Die中积聚，将会导致严重的后果。

对散热器来说，最重要的是其底座能够在短时间内能尽可能多的吸收CPU释放的热量，即瞬间吸热能力，这只有具备高热传导系数的金属才能胜任。对于金属导热材料而言，比热和热传导系数是两个重要的参数。

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