影响散热性能的各种因素

影响散热性能的各种因素

晨怡热管2007-11-29 22:46:39

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散热器的发展最为强劲与引人注目，诞生了极其多样化的产品，代表了计算机散热技术的最高发展水平。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基本概念。

热力学基本知识

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。虽然这部分有些枯燥难懂，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，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

对这些概念进行集中讲解。

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相接触的部分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

热通过流动介质（气体或液体）将热量由空间中的一处传到另一处，即由受热物质微粒的流动来传播热能的现象。根据流动介质的不同，可分为气体对流和液体对流。影响热对流的因素主要有：

1.通风孔洞面积和高度

2.温度差：原因还是因为热是由高到低方向传导。

3.通风孔洞所处位置的高度：越高对流越快。

4.液体对流：导热效果比较好，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，只要散热器表面积足够大，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，比如下图中的产品，但请注意散热器已经覆盖了大半个主板。

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、表面的颜色。一般来说，顏色光亮的（如白色或銀色）物体表面吸收和释放辐射能量的

速率较慢。深颜色（黑色）的物体表面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传至散热片以及在散热片内部传递。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产生的大部分热

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基础知识。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平方米的柱体沿轴向1米距离的温差为1开尔文（1K＝1℃）时的热传导功率。数值越大，

表明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，这两种材料的成本较高，

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，这就是为什么纯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体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。而体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忽视。

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——相同的环境温度与导热功率下，热阻越低，发热物体

的温度就越低。但是，决定热阻高低的参数非常多，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，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。