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有效提高散热性能的四个重要因素


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        散热性能对于需要散热的机器和设备来说,非常重要,最为主要的因素包括四点:接触面、好的导热材料、热传导系数高、良好的热阻效应。一直以来,各个生产企业都在不断的尝试和改进散热器的生产工艺,希望能得到更好的散热效果,下面每项分析解说一下。

  1·提高与CPU接触面的平整度。为了提升吸热能力,希望散热片与发热设备紧密结合,不留任何空隙,可惜这是无法实现的。因此,应采用具有较低热阻及较佳适应性的材料填充其中的空隙,这便是导热膏的用武之地。但导热膏的热阻始终要高于加工散热片的金属材料,要想根本上提高散热片吸热底的吸热能力,就必须提高其底面平整度。平整度是通过表面最大落差高度来衡量的,快速退火炉的通常散热片的底部稍经处理即可达到0.1mm以下,采用铣床或多道拉丝处理可以达到0.03mm,而CNC铣床或研磨则可以达到更好的效果,我们将在后文进行具体介绍。总之,散热片的吸热底越平整,越有利于热量吸收,但由于无法做到完美,涂抹导热膏成为了安装散热器的必须步骤。

  2·材料的比热容要高。前文中已经介绍了比热容的概念,从中可以得知:令1千克的铜温度升高1摄氏度需要吸收93卡的热量,而令千克铝温度升高1摄氏度则需要吸收217卡的热量。那么是否采用铝质吸热底的散热片可以获得更好的储热效果呢?并非如此!因为具体物体的储热能力还决定于其质量,具体到散热片的吸热底,相同体积下,就决定于材质密度——铜的密度为8933 kg/m^3,铝的密度为2702 kg/m^3。不妨依下述公式计算一下铜与铝的体积比热容:

  Cv=ρ x Cm
铜的体积比热容=8933 kg/m^3 x 93kl/kg*°C≈0.83 x 10^6 kl/ m^3*K,铝的体积比热容=2702 kg/m^3 x 217kl/kg*°C≈0.58 x 10^6 kl/ m^3*K

  结果很清楚了,相同体积的铜与铝材(包括各种铝合金),发生相同的温度变化时,铜可以比铝多吸收约40%的热量,即可以更好的抑制发热设备温度的激增。这正是中高端散热器即便不采用全铜设计,也要采用铜铝结合的吸热底设计的原因。
  除了材质上选择具有更高“体积比热容”的材料外,还可以在吸热底的形状设计上进行发挥——保持吸热底厚度不变,增大底面积,或者保持底面积不变,增加吸热底的厚度,都 可以增大吸热底体积,进而提高热容量。
 
   3.材料的热传导系数要高。要降低吸热底内部热阻,采用热传导系数更高的铜的确是比铝合金更好的选择,也正是目前许多中高端散热器所采用的方法。确定了吸热底的材质,还可以通过调整吸热底的形状设计改变其热阻。此时,就面临着吸热底纵向与横向热阻的平衡问题。
 
   4.根据热传导的基本常识——截面积越大,热阻越小,厚度越大,热阻越大。具体到吸热底的形状设计——面积越大,厚度越薄,纵向热阻越小;相反,厚度越厚,横向热阻越小,鳍片的有效连接面积越大。纵向与横向热阻分别对吸热底的形状提出了互相矛盾的要求,这就需要设计者在其中作出权衡,选择合适的面积、厚度与形状,令纵向与横向热阻都可达到要求,如果没能寻找到合适的平衡点,则可能出现一些对导热甚至散热片整体性能造成严重不利影响的情况:
  厚度大,面积小——横向热阻小,可有效利用连接其上的鳍片,但纵向热阻大,增加了散热片的整体热阻,不利于整体性能提高。

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