目前所有的散热器都以热传导

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目前所有的散热器都以热传导、热对流为主要方式进行散热,还没有听说能以热辐射为主要方式对芯片进行降温的产品。根据热传导、热对流手段的不同,可以将散热器产品分为主动与被动两种方式。主动的含义是,有与发热体无关的能源参与进行强制散热,比如风扇、液冷中的水泵,相变制冷中的压缩机,这些散热手段的普遍特点是效率高,但同时也需要其它能源的辅助。与之相反,被动的意思就好理解了,就是仅依靠发热体或散热片的自行发散来进行降温。

编辑本段散热方式与产品分类

CPU散热其实就是一个热传递的过程,目的是将CPU产生的热量带到其它介质上,将CPU温度控制在一个稳定范围之内。根据我们生活的环境,CPU的热量最终是要发散到空气当中。而在这之间的热传递过程,就是散热器所要扮演的角色了。

目前所有的散热器都以热传导、热对流为主要方式进行散热,还没有听说能以热辐射为主要方式对芯片进行降温的产品。根据热传导、热对流手段的不同,可以将散热器产品分为主动与被动两种方式。主动的含义是,有与发热体无关的能源参与进行强制散热,比如风扇、液冷中的水泵,相变制冷中的压缩机,这些散热手段的普遍特点是效率高,但同时也需要其它能源的辅助。与之相反,被动的意思就好理解了,就是仅依靠发热体或散热片的自行发散来进行降温。

在本专题中,我们所介绍的产品全部为主动式散热器,目前的产品类型包括有:风冷、液冷、干冰、液氮与压缩机制冷。以下分别详细介绍。

编辑本段风冷散热技术

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。

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。最后,我们还要分析扣具的类型。

材料

编辑本段液氮散热技术

提起液氮制冷超频,很多人可能会倒吸一口凉气,觉得这种做法太过夸张,似乎是遥不可及的事情。其实则不然,这要明白其中缘由、胆大心细,谁都可以的!

液氮制冷的核心部件就是蒸发皿,其作用就是陈放液氮,吸收CPU发出的热量使得液氮沸腾,液氮气化之时吸收大量的热量,能够迅速地将蒸发皿温度降至零下100℃左右!

由于液氮气化时吸热非常快,因此空气中的水蒸气将会凝结在铜管表面,所以必须在外面套一层绝缘橡胶材料,这种材料还必须要有保温作用,以防止液氮产生的“冷能”浪费,在超频过程中节省液氮用量!

容器底部的铜底做成了蜂窝状,显然是为了增加液氮和铜块的接触面积,这样能够加速液氮的沸腾,达到迅速制冷的目的。

底座部分的防护工作也不容忽视,CPU附近的温度非常低,所以尽可能不让他与空气接触,防止冷凝产生的露水滴落在主板上产生悲剧事故!

可能有些人觉得比较纳闷,这个蒸发皿就相当于一个散热器,那么散热器为什么没有扣具呢?是用液氮超频自然在开放环境下进行,这样的话只要将蒸发皿立在CPU上面就可以了,导热硅脂都不需要(好像还没有能禁受住-100℃低温的导热硅脂),铜管自身的重量就能够很好的传热了。

橡胶外套的保温作用在实际操作中也是非常方便,当有需要移动容器的时候,手指就不会被冻伤了。

液氮制冷当然少不了液氮,其实液氮并不是什么新鲜玩意,工业用纯度较低的液氮价格也是很便宜了,这么大一桶也只要几十块钱,一般来说这一桶可以连续使用好几个小时,足够将CPU性能榨干。

使用保温杯添加液氮是最合适不过了。云雾瞭绕中,CPU恍然置入仙境!

液氮超低温的优势就在于可以给CPU加高压,“高压之下必有勇夫”,CPU/GPU的散热完全不用担心,因此可以尝试平时不敢奢想的高压,在高压下就能冲击更高频率。即便是普通状况下被定义为“不好超”的CPU,在液氮的推动下也能爆发出惊人的威力[1]!

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、加工难度大等不利条件,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。

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,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。

散热片的吸热设计