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风冷散热器方式为何至今都能够成为主流?


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        由于实现成本低廉,风冷散热是最常见的散热技术。其制造相对简单,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,安装简单等优点。一个高风量的风扇+高导热效率材料的散热片就可以组成一个性能不错的CPU风冷散热器,至今都是占居了主流地位。

 
       传统风冷散热器的基本结构,分为风扇、扣具、散热片(鳍片部分)、散热片(底板部分)这四大部分。其中,散热片的技术是最重要的,要涉及到材料、工艺、结构等等方面,也是我们要重点讨论的部分。风扇的性能也不可忽视,包括了风量、风压、噪音、使用寿命等要素。
 
    一.散热片材料的选取
  在散热片材料的选取上,主要考虑以下三方面的:
  1.导热性能好——导热性是一个比较笼统的说法,包括了热传导系数、比热等等概念。相对其它固体材料,金属的导热性决定了它更适合用于散热器制造;比如铜的导热快,铝的散热快等,这都是有金属本身的特性决定的。
  2.易于加工——延展性好,高温相对稳定,可采用各种加工工艺;
  3.易获取——虽然金属也属不可再生资源,但供货量大,不需特殊工序,价格也相对低廉;
  依据以上三点,就确定了散热片所用材料类型。上文在介绍热传导系数与比热值的时候,已经说明了这些问题。但在材料选取的时候,除了要综合考虑导热参数的高低以外,还需要兼顾到材料的机械性能与价格。
  热传导系数很高的金、银,由于质地柔软、密度过大、及价格过于昂贵而无法广泛采用;铁则由于热传导率过低,无法满足高热密度场合的性能需要,不适合用于制作计算机空冷散热片。铜的热传导系数同样很高,可碍于硬度不足、密度较大、成本稍高、加工难大等不利条件,在计算机相关散热片中使用较少,但近两年随着对散热设备性能要求的提高,越来越多的散热器产品部分甚至全部采用了铜质材料。铝作为地壳中含量最高的金属,因热传导系数较高、密度小、价格低而受到青睐;但由于纯铝硬度较小,在各种应用领域中通常会掺加各种配方材料制成铝合金,借此获得许多纯铝所不具备的特性,而成为了散热片加工材料的理想选择。
  各种铝合金材料根据不同的需要,通过调整配方材料的成分与比例,可以获得各种不同的特性,适合于不同的成形、加工方式,应用于不同的领域。热传导系数表中列出的5种不同铝合金中:AA6061与AA6063具有不错的热传导能力与加工性,适合于挤压成形工艺,在散热片加工中被广为采用。ADC12适合于压铸成形,但热传导系数较低,因此散热片加工中通常采用AA1070铝合金代替,可惜加工机械性能方面不及ADC12。AA1050则具有较好的延展性,适合于冲压工艺,多用于制造细薄的鳍片。
  散热片的制造材料是影响效能的重要因素,选择时必须加以注意!当前绝大多数的低端CPU散热器都是采用铝合金,原因自然是材料及制造成本低廉,性能难免会受到一定的限制;中高端散热器为了适应目前发热设备功率的不断提升,增强散热性能,则会在散热片中不同程度的采用铜作为吸热部件或散热鳍片。当然,采用具有较强导热能力的材料只是制造高效能散热片的基础,散热片的材质并不能决定其整体性能,提高散热片性能的真正精髓还是在于产品设计。
 
  二.散热片的结构设计
  散热片的设计是散热片效能最重要的决定因素,也是集中体现各散热器厂家技术实力差距的地方。从散热的过程来看,一般分为吸热、导热、散热三个步骤。热量从CPU中产生,散热器与CPU接触端要及时吸取热量,之后传递到散热片上或其它介质当中,最后再将热量发散至环境当中。因此,散热器设计就要从这三个步骤入手,分别将吸热、导热、散热的性能提升,真空退火炉才能获得较好的整体散热效果。以下我们也以这三步来分析散热器结构设计的特点与影响散热性能的因素。
  
    三.散热片的吸热设计
  散热片的吸热效果主要取决于散热片与发热物体接触部分的吸热底设计。性能优秀的散热片,其吸热底应满足四个要求:吸热快、储热多、热阻小、去热快。
    1·吸热快,即吸热底与发热设备间热阻小,可以迅速的吸收其产生的热量。
  为了达到这种效果,就要求吸热底与发热设备结合尽量紧密,令金属材料与发热设备直接接触,最好能够不留任何空隙。
  2·储热多,即在去热不良的状态下,可以吸收较多的热量而自身温度升高较少。
  提出此要求的目的是为了应付发热设备功率突然提升,或风扇停转等散热器性能突然丧失的状况。众所周知,CPU、显示核心等高速半导体芯片在满负荷工作时所产生的热量较闲置状态下大幅增加;散热器失效时,发热设备所产生的热量无法及时散失,情况更是危险。此类状况中,如果散热片吸热底没有一定的储热能力作为热量的缓冲,散热片与发热设备本身的温度都会迅速升高,轻则由于温度的迅速变化加快设备老化,重则未能及时发动过温保护机制导致设备烧毁。因此,散热片的储热能力就是其抑制发热设备温度激增的能力,对散热效果并没有直接的影响。
   3.热阻小,即传导相同功率热量时,吸热底与发热设备及鳍片两个介面间的温差小。
  散热片的整体热阻就是由与发热设备的接触面开始逐层累计而来,吸热底内部的热传导阻抗是其中不可忽视的一部分。由于计算机风冷散热器所针对的发热设备通常体积较小,为了将吸收的热量有效地传导到尽量多的鳍片上,因此还需要吸热底有较好的横向热传导能力。
  4·去热快,即能够将从发热设备吸收的热量迅速的传导到鳍片部分,进而散失。
  吸热底与鳍片部分间的结合情况,即结合面积与热传导的介面阻抗,对能否达成此要求起着决定性的作用。

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