揭开散热鳍片的神秘面纱：基础热学

1、序论：

随着计算机中央处理器的频率不断成长，中央处理器产生的热量也越来越惊人，古早的中央处理器不需要散热片，而现今的产品则是不安装散热片可能会烧毁，台湾被称为信息硬件的制造王国，计算机的DIY风气极为盛行，而计算机硬件的超频也跟着大行其道，为了将中央处理器的频率能够跑的更高，厂商跟着不断的推出各式各样的散热器，网络上千奇百怪的超频理论纷纷出笼，在本文中不讨论如何进行超频，而是针对目前市面上最常见的鳍片结构之空冷散热器，尝试以经过学术验证的流体力学和热传学理论，来探讨其设计与性能之优劣，并希望能够提供读者一些正确的观念，并导正一些常见的散热谬论。

致谢: 感谢sarion 先生在文字、文意上的斟酌与校稿

2、理论基础：

所有物体的热传可以分成三种：热传导、热对流及热辐射。一般而言，热辐射出去的能量太小，所以可以忽略不计。因此在散热鳍片里，最重要的两个热传机制就是热传导及热对流。在一般计算机的散热装置里，热传导的重要性并不亚于热对流，因为这是能否将芯片产生的能量传送到鳍片的重要因素，但是想要降低温度，热对流就占有很大的影响要素。因为能量是由流体靠着对流的现象[无论是强制对流或是自然对流]，把芯片产生的能量给带走。

3、比热及热传导系数：

比热跟热传导系数这是两种不同的量值，但是很多人却将他们给搞混了。

比热的定义为：单位质量下需要输入多少能量才能使温度上升一度K ()，

而热传导系数的定义为：每单位长度、每度K，可以传送多少瓦数的能量()。

简单说来，比热的定义是指出整体内能的变化，但是热传导系数却是传送能量的能力。常看到某些硬件测试文章的作者，在文章中提到：「某材料吸热快散热慢，所以如何如何」，笔者看到"吸热快散热慢"这六个字实在大惑不解，翻遍了手上有的Heat Transfer 书籍，甚至是Journal of Heat Transfer、Journal of Heat and Mass Transfer等期刊也没有看过类似的理论。

抱持吸热快散热慢理论的硬件测试文章作者，多是观察了几个散热器的温度升降状态就做出某某材料会吸热快散热慢的推论，殊不知吸热快散热慢最多只能用来描述某散热片在某特定时间下的状态， 但是将吸热快散热慢当成是某种材料的特性，那就犯了常见以特例论证通则的逻辑谬误。

由最基本的能量守恒观念来看，一个系统如果吸热快散热慢，这表示在单位时间内进入此系统的热能一直大于离开此系统的热能，此系统内的热能将不断的增加，系统温度就会上升，如果吸热快散热慢是这个系统的特性的话， 这个系统会出现温度不断上升，直到整个系统无法负荷更多热能而整个烧毁的状况。

但是事实不会出现这样的状况，因为吸/散热快慢跟热传导系数、热对流系数及温度梯度有关联，吸/散热快慢是不断在变化的，没有一个系统会有吸热快散热慢的特性，假设一个系统A原本处于向系统B吸取热快，将热散到系统C慢的情况下，系统A温度会不断的上升，如此A与B间温度梯度变小，吸热就会变慢，A与C间温度梯度则变大，散热就会变快，因此系统A会由吸热快散热慢的状态逐渐变成吸/散热速度相等的状态，一直到稳态时就会变成吸散热速度相等，系统A的温度不会变化。

4、长条型鳍片和圆柱型鳍片：

在散热器本身的热传里，有这一个相当重要的因素：流体流动。而长条型鳍片跟圆柱型鳍片的差距，就是流体的流动。在圆柱型鳍片周围，因为流体的阻力较小，流体容易流动，也因此容易带走在圆柱的能量，加强了对流的效果，因此在相同面积的散热鳍片里，圆柱型鳍片都会比长条型鳍片有着更好的热传效果。这一方面的应用实例如：Swiftech MC462。

圆柱型鳍片：Swiftech MC462

长条型鳍片：

差异性。

5、散热器底座厚薄? 热阻的概念：

散热器底座对于热传是否有影响? 有很多人会人为没有。其实这是因为现阶段鳍片使用的金属的热传导系数较高(铝、铜)，外加厚度不明显，所以影响不容易看出来。有兴趣的人可以做一个实验，拿一块铁块，高度1公尺，然后在铁块周围用干毛巾包起来，然后上层再用一散热鳍片来作散热。如此一开机，笔者几乎可以保证，不需要太久就会当机了。为什么? 因为铁块的热传导系数虽然也颇高，但是在铁块内部还是会有温度梯度的存在。虽然铁块内部可以容纳颇多的能量，但是上层的散热鳍片不能得到较高的温度梯度，使得热逸散的能力近乎没有，而底部的芯片一直在传送能量给铁块，导致两端的温差越来越大，终于突破芯片可以忍受的最高温度而导致当机。而这块铁块就是热阻。当然也可以把这铁块换成宝丽龙，或是空气，这当机的速度就会越明显。

讲到这边笔者想就会有很多人可以举一反三，了解扣具的用意在哪了。扣具不只是将鳍片固定在芯片上面，他的作用也是降低热阻。热阻跟压力也成逆相关。压力越大热阻越小。那压力越大不就越好? 假如芯片可以承受，那就很完美，但是这世界却不是这样完美的。因此就有人在芯片跟鳍片之间涂抹散热膏来填补芯片跟鳍片之间的空隙，降低热阻。当然，如果芯片跟鳍片两接触平面是完美的平面，那热阻可以说是没有，也因为世界的不完美，所以无法达成完美的接触平面，所以就有人会特地替鳍片作提高平面度的工作。这些都是为了让热阻降低，增加芯片跟鳍片之间的热传。不过，笔者建议不要太过火了，因为这项工作只达成了热传导，却达不成热逸散。

但这边却有一特殊的应用：铜底。为什么要在鳍片底部加一薄铜片?原因很简单，因为铜的热传导系数比铝高，所以可以更均匀的将能量传送到铝鳍片的四周外围鳍片。这是因为铝本身的热传导系数不是无限大，所以在铝鳍片里面会有温度梯度的存在：中心温度较高，四周温度较低。然而热传的一个重要因素就是温度梯度，如此一来虽然中心有着较高的热传效果，但是鳍片四周却比中心的热传效果差，导致整体热传效果的减低。因此使用铜片来解决这温度梯度的不均匀问题。虽然铜片增加了热阻，但是增加了一点点的热阻却大大加强了整体鳍片的温度均匀分布，可以说得多于失。

除了铜底，也有人使用铜柱﹙ex：下图的 ARKUA 7528﹚，当然这也是相同的原理。但是使用铜柱时，对于气流的处理必须更加注意，不然轴流风机的气流一出来马上就被铜柱给挡回去，形成回流造成能量的损耗。

 

6、高频噪音：风速对热传的影响

笔者认为大部分的人都知道风速越大，热传效果越好。理论上如此，实际上也如此 [考虑直接吹入芯片的进气方式，不考虑其它方式，因为其它方式不一定会有比较好的结果，这还得考虑回流区对于鳍片的影响] 。因为风速越高，热对流效应越强烈。但是这有几个问题，是否一定只有高风速才会对热传有绝对性的影响? 是否只有高频噪音才会带来高风量? 风量是不是可以毫无限制的提高? 的确，风速对于热传的影响可以说接近绝对：在一定的速度之下。为什么? 大家想想航天飞机的隔热砖就知道了。当流体磨擦所损耗的能量大于所能带走的能量之后，那么就会见到鳍片温度越来越高，甚至融化。不过这种终极的速度已经在音速以上了[以空气而言，其它流体不一定]。这也就是说可以不用考虑这样的影响。如果，能以其它比空气黏滞性系数还低的气体来当作进气，那么就能以较低的风速得到一个一样的散热结果。此外，改变气体密度，渠道[假设CPU散热装置为一矩形渠道]宽度也能得到一样的结果。归纳这些考虑因素，可以得到一个无因次化[就是把所有的质量、长度、时间等因次项给消掉的纯量值]参数：Reynolds number(Re)。 这就是影响热传最主要的因素。一般厂商都是直接增加Reynolds number 来改善热传，因为这最简单，最不需要花时间设计鳍片。[Ex:冰天X地 ]

那是否只有高频噪音才能带来高风量? 这答案一定是否定的。大家想想，电风扇的风量够大吧? 那种挂在天花板的大风机风量也很足够，但是转速就是很慢。这就是作用面积的影响。假如使用一个类似漏斗的东西，将大风扇的风收集转成小面积吹入鳍片里，如此一来不但能降低噪音，也能得到足够或是更高的风量，而这就是大转小风罩的原理：因为流量是跟面积和速度成正比。

还有一个问题就是风速是否能毫无限制的增加? 假如风扇不变大，单纯使用轴流风扇的情况下，笔者可以说这是不可能的。这就得考虑到另外一个观念：边界层分离。什么是边界层分离现象? 笔者想大家都有看过在河流里面的树枝，当水流流速达到一定程度时，树枝的后半表面会开始形成一个涡流的现象[不是背后，是表面]，而这个现象就是边界层分离。当风扇转速达到一定程度时，空气也会在叶片表面形成此现象，当此现象越来越严重时，就会产生失速的现象，这也就是说风扇再怎样输入能量得到更高的转动都不能得到更高的风量，甚至会得到反效果。这也就是说不改变鳍片外型，鳍片的热传能力是有上限的。

7、鳍片长度的影响? 鳍片效率的概念：

鳍片是否越长越好? 理论上是，但是必须考虑到他的效率问题。因为这跟成本有很大的关联。然而要如何考虑鳍片效率? 这方面的数学型式颇重，这篇不是学术性的报告，所以笔者只指出他的相关性参数：热对流系数、鳍片长度、整体面积、热传导系数，周长。因为数学模式并不简单，所以笔者并不想详细介绍。一般说来长度越长，鳍片效率越差，热传导系数越高，鳍片效率越好。这也就是说使用铜做成的鳍片会比同造型的铝鳍片有着更好的效率，面积越大的鳍片也会有较好的鳍片效率。

8、热传的原罪：热边界层的概念：

什么是热边界层? 简单的说，就是流体在物体表面产生对流效应时，因为流体的热传导系数很差，接触物体表面的流体无法顺利的将能量传送给上层的流体，所以流体和物体表面作用出一层温度较其它流体高的流体，而这层流体就称作热边界层。因为这层流体因为温度较高，阻碍了较冷流体和物体表面的对流，降低了热传的效果。这代表什么意思呢? 笔者想用抽风跟吹风的差别会比较容易了解他的内涵：为了增强鳍片的散热效果，建议将最低温的流体直接流入最高温的鳍片上。因为热边界层的成长，会导致热传效果的降低，如果将最低温的流体流进最低温的鳍片上，这样就会导致流体流到在最高温鳍片底部，因为热边界层的影响而阻隔了较低温流体跟高温鳍片的热交换，进而降低了热传的效果。

9、实战篇：

在众多的鳍片中，要如何选购一颗可以胜任高发热芯片的散热装置呢?其实，这并不难，只要使用热传学的观点来看，好与不好几乎一眼就可以看穿了。首先，拿到一颗鳍片，我们必须先考虑流体在鳍片内部好不好流动? 光这一点就可以几乎剔除了现阶段市面上可以看到的所有鳍片了。因为密密麻麻的矩形条状鳍片跟放射性鳍片，甚至是圆柱型鳍片相比，流体在矩形条状鳍片里的流动性实在是太差，所以只好疯狂的增加风量，增加面积来解决这问题。再来，考虑材质，因为这对于鳍片的效率有着相当高程度的影响，这也是为什么在高发热芯片的世界里，铝制鳍片越来越难存活的原因。考虑鳍片表面的光滑性，粗操的表面可以得到较好的效果，考虑风扇的风量，使用高风量的鳍片会有着较好的散热效果。考虑整体温度的均匀性，假如铜鳍片底部加装银底如同铝鳍片底部加装铜底一般，这样也会有较好的效果。

此外，假如鳍片上方有风罩的设计，这对于散热是有帮助的，气体的流动方向，一般而言，抽出气体的方式会比吹入气体的方式有着较佳的散热效果。但是一使用抽出气体的方式来散热，气体的流动性会变得相当重要，因为抽出气体会使得鳍片周围变成负压区，但是负压区很小，造成能流体有在流动的区域也相对的变小，假如没有控制好流体的流动，会导致底部的高温区域得不到气体的流动，这样是得不偿失的。

ex：采风罩设计的散热器：

10、结论：

写了这篇，只是希望大家能得到较正确的热传观念，不要被没受过正统的热流教育，满脑子只有想象的几位硬件文章作家所误导。流体力学跟热传学的世界里，经验常常是会出差错的，因为他们只能看到表面，却看不到其中所内涵的道理。这就像是大家看到鸟挥动翅膀就可飞行，但是自己怎样的挥动翅膀就是飞不起来一样。因为他们只看到表面，却没看到鸟类为了飞行所达成的演进，及其中流体的流动，利用上升气流的帮助等力学原理。

此外笔者省略了热管及层流、紊流对于热传上的影响及其不同，热管是因为笔者接触的不多，怕产生误导而省略，层流及紊流是因为内涵的数学观念更多，讲下去睡着的人可能有一大半了。

11、参考书籍：

1. Bruce R. Munson, Donald F. Young, 'Fundamentals of Fluid Mechanics', 2nd edition,John Wiley & Sons, New York, 1994. 2. Frank P. Incropera, David P. Dewitt, 'Fundamentals of Heat and Mass Transfer'4th edition, John Wiley & Sons, New York,1996. 3. A. F. Mills, 'Heat Transfer', 2nd edition, Prentice Hall, 1999. 4. Cengel Boles, 'Thermodynamics' 3rd eon, McGraw-Hill, 1998.

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