风冷散热器研究设计.pdf

风冷散热器研究设计 前言 所谓风冷散热器，其散热原理即通过与发热物体（一般为 CPU、GPU等半导体芯片） 紧密接触的金属散热片，将发热物体产生的热量传导至具有更大热容量与散热面积的散热片 上，再利用风扇的导流作用令空气快速通过散热片表面，加快散热片与空气之间的热对流， 即强制对流散热。 风冷散热器分解图 ： 一款优秀的风冷散热器必须具备三个条件： 1、采用做工精良，设计合理。材料合适的散热片。 2、配有性能强劲，工作稳定，长寿命的风扇。 3、以及出色的整体结构与安装设计。 然而要设计出一款优良的散热片， 我们就必须对热力学、 散热器的部件及其结构有所了 解，那么我们就将风冷散热器的讲解分为热力学、散热片、风扇、扣具结构等几个部分，及 其风冷散热器的各项指标以及现行技术进行浅要的分析与介绍 。 第一章 热力学基本知识 首先来说说相关的热力学方面：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。 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。 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。许多厂商都在于 CPU接触的部分采用塞铜 柱或铜片的工艺，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，由于空间与结构的原因，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，色光亮的（如白色或泫色）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，因此在此方面不 必太在意。 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