散熱原理——散熱方式

admin 2011-08-24

散熱原理——散熱方式
散熱就是熱量傳遞，而熱的傳遞方式有三種：傳導(dǎo)、對(duì)流和輻射。傳導(dǎo)是由能量較低的粒子和能量較高的粒子直接接觸碰撞來傳遞能量的方式，CPU和散熱片之間的熱量傳遞主要是采用這種方式，這也是最普遍的一種熱傳遞方式。對(duì)流是指氣體或液體中較熱部分和較冷部分通過循環(huán)將溫度均勻化，目前的散熱器在散熱片上添加風(fēng)扇便是一種強(qiáng)制對(duì)流法，電腦機(jī)箱中的散熱風(fēng)扇帶動(dòng)氣體的流動(dòng)也屬于"強(qiáng)制熱對(duì)流"散熱方式。輻射顧名思義就是將熱能從熱源直接向外界發(fā)散出去，該過程與熱源表面顏色、材質(zhì)及溫度有關(guān)，輻射的速度較慢，因此在散熱器散熱中所起到的作用十分有限（輻射可以在真空中進(jìn)行）。這三種散熱方式都不是孤立的，在日常的熱量傳遞中，這三種散熱方式都是同時(shí)發(fā)生，共同發(fā)揮作用的。
　　
任何散熱器也都會(huì)同時(shí)使用以上三種熱傳遞方式，只是側(cè)重有所不同。對(duì)于CPU散熱器，依照從散熱器帶走熱量的方式，可以將散熱器分為主動(dòng)散熱和被動(dòng)散熱。前者常見的是風(fēng)冷散熱器，而后者常見的就是散熱片。進(jìn)一步細(xì)分散熱方式，可以分為風(fēng)冷，液冷，半導(dǎo)體制冷，壓縮機(jī)制冷，液氮制冷等等。
　　
風(fēng)冷散熱是最常見的，而且簡(jiǎn)單易用，就是使用風(fēng)扇帶走散熱器所吸收的熱量。具有價(jià)格相對(duì)較低，安裝方便等優(yōu)點(diǎn)。但對(duì)環(huán)境依賴比較高，例如氣溫升高以及超頻時(shí)其散熱性能就會(huì)大受影響。

液冷是使用液體在泵的帶動(dòng)下強(qiáng)制循環(huán)帶走散熱器的熱量，與風(fēng)冷相比具有安靜、降溫穩(wěn)定、對(duì)環(huán)境依賴小等等優(yōu)點(diǎn)。液冷的價(jià)格相對(duì)較高，而且安裝也相對(duì)麻煩一些。同時(shí)安裝時(shí)盡量按照說明書指導(dǎo)的方法安裝才能獲得最佳的散熱效果。

半導(dǎo)體制冷
“N.P型半導(dǎo)體通過金屬導(dǎo)流片鏈接，當(dāng)電流由N通過P時(shí)，電場(chǎng)使N中的電子和P中的空穴反向流動(dòng)，他們產(chǎn)生的能量來自晶管的熱能，于是在導(dǎo)流片上吸熱，而在另一端放熱，產(chǎn)生溫差”——這就是半導(dǎo)體制冷片的制冷原理。只要高溫端的熱量能有效的散發(fā)掉，則低溫端就不斷的被冷卻。在每個(gè)半導(dǎo)體顆粒上都產(chǎn)生溫差，一個(gè)制冷片由幾十個(gè)這樣的顆粒串聯(lián)而成，從而在制冷片的兩個(gè)表面形成一個(gè)溫差。
利用這種溫差現(xiàn)象，配合風(fēng)冷/水冷對(duì)高溫端進(jìn)行降溫，使得制冷片的散熱效果強(qiáng)勁，但是讓制冷片全速運(yùn)作的前提是供電必須要穩(wěn)定（一版要幾時(shí)W的功率），或者你需要為制冷片單獨(dú)設(shè)立一個(gè)供電設(shè)備，這樣成本較高，而且如果高溫端的散熱不到位的話也比較危險(xiǎn)。
優(yōu)點(diǎn):能使溫度降到非常理想的室溫以下；并且可以通過使用閉環(huán)溫控電路精確調(diào)整溫度，溫度最高可以精確到0.1度；可靠性高，使用固體器件致冷，不會(huì)對(duì)CPU有磨損；使用壽命長(zhǎng)。
缺點(diǎn)：CPU周圍可能會(huì)結(jié)露，有可能會(huì)造成主板短路；安裝比較困難，需要一定的電子知識(shí)。比較保險(xiǎn)的方法是讓半導(dǎo)體制冷器的冷面工作在20℃左右為宜

壓縮機(jī)制冷：壓縮機(jī)制冷其實(shí)已經(jīng)是我們比較熟悉的方式了。在日常生活中，冰箱，空調(diào)等制冷設(shè)備都是采用壓縮機(jī)制冷方式。應(yīng)用在個(gè)人電腦上，主要是將吸熱部分集中在CPU區(qū)域。壓縮機(jī)制冷一般可以維持在零下100攝氏度左右。相對(duì)液氮的溫度要高了不少，并且通過妥善的安裝，電腦硬件可以長(zhǎng)期穩(wěn)定的在機(jī)箱中運(yùn)行，雖然噪音可能不小。

干冰、液氮制冷：干冰與液氮制冷都是依靠壓縮或冷卻氣體在常溫下氣化，迅速吸收大量的熱來制冷。這兩種極端的散熱方式可以帶來最為頂級(jí)的散熱效果。是骨灰級(jí)超頻玩家降溫的必用手段。但同時(shí)這種方法也是非常危險(xiǎn)的。因?yàn)榭焖俚臏囟认陆祵?dǎo)致的溫差會(huì)發(fā)生結(jié)露，容易導(dǎo)致主板等短路。

石墨導(dǎo)熱 ：由于具備了等向性（anisotropic）的特性，石墨在導(dǎo)熱時(shí)是根據(jù)一定的方向來流動(dòng)的。其實(shí)在這樣的特性下，石墨就很好區(qū)別于一般風(fēng)冷材質(zhì)的銅和鋁，因?yàn)檫@兩種金屬都不具備這種屬性，所以也無法用它們來控制熱的傳輸方向。所以是使用石墨散熱技術(shù)制造的產(chǎn)品就可以按著需要的方面來依次的進(jìn)行熱傳導(dǎo)。
優(yōu)點(diǎn)
散熱片體積更小更輕
一片具有彈性而且可以定型小小的石墨片，經(jīng)過了切割之后幾乎可以應(yīng)用在各種設(shè)備上。它的最大傳導(dǎo)系數(shù)為500W/mk（比熱管要低）。而重量比銅輕了80%。并且比鋁也輕了30%。
缺點(diǎn)：
石墨的脆弱性
雖然石墨散熱技術(shù)可以用鋁箔包裹以保持其外形，但是脆弱本身是無法消去的。由于我們?cè)谑褂秒娔X和拆裝一些電腦配件的時(shí)候，經(jīng)常也不小心的將電腦配件撞擊。這樣的意外承受壓力也是產(chǎn)品本身需要考慮的。
成本問題
對(duì)于任何產(chǎn)品來說，成本問題都無法解決。我們之前所聽說過的石墨散熱技術(shù)，一般是來自于比較昂貴的醫(yī)療器材上。石墨技術(shù)無疑是一個(gè)不錯(cuò)的醫(yī)療散熱材料。但由于應(yīng)用于這些非常昂貴的醫(yī)療器材上也意味著其昂貴。
液態(tài)金屬導(dǎo)熱：這種冷卻新技術(shù)利用鎵和銦的混和液體作為散熱劑，混和金屬在10度時(shí)為液態(tài)。這種冷卻劑導(dǎo)熱性能比水高65倍，比空氣導(dǎo)熱性高1600倍，因此液體金屬吸收熱量效率極高。
雖然液態(tài)金屬導(dǎo)熱性極佳，但是其吸收的熱量難以向外接釋放，雖然液態(tài)金屬能夠帶來散熱效率提升，但是遠(yuǎn)低于預(yù)期。