散熱、吸熱，還是絕熱重要？
在這兒之前,有一個很重要的問題要問各位,您知道什么是"熱"嗎?在您選擇一項產品之前.您得先知道您用鈔票換得手中的寶貝要解決的是什么物理現(xiàn)象,千萬別當了冤大頭!"熱 (Heat)"是能量嗎?
嚴格來說它不算是能量,應該說是一種傳遞能量的形式.就好象作功一樣.微觀來看,就是區(qū)域分子受到外界能量沖擊后,由能量高的分子傳遞至能量低的區(qū)域分子(就像是一種擴散效應),必須將能量轉嫁釋放出來.所以能量的傳遞,就是熱.而大自然界最根本的熱產生方式,就是劇烈的摩擦(所謂摩擦生熱如是說!).從電子(量子力學)學的角度而言,當電子束滑過電子信道時,會因為與導線(trace)劇烈摩擦而產生熱,它形成一股阻力,阻止電子流到達另一端(就像汽車煞車的效果是一樣的).我們統(tǒng)稱作"廢熱". 所以當CPU的速度越高,表示它的I/O(Input/Output)數(shù)越高,線路布局越復雜.就好比一塊同樣面積的土地上.您不斷的增加道路面積;不斷的膨脹車流量,下場是道路越來越窄,而車子越來越多,不踩煞車,能不出車禍嗎?當然熱量越來越高.信不信,冷颼颼的冬天,關在房里打計算機,你會愛死它,又有得殺時間,又暖和!只是不巧,炎炎夏日又悄悄的接近了……
"傳熱(Heat Transfer)":既然說熱是一種傳遞能量的形式.那就不能不談傳遞的方法了.總的來說整個大自然界能量傳遞的方式被我們聰明的老祖先(請記住.熱力學Thermal Dynamic是古典力學的一種!)概分為三種,接下來我用最淺顯易懂的方式分別介紹這門神功的三大基本奧義讓各位知道:
1.)熱傳導(Conduction)
物質本身或當物質與物質接觸時,能量傳遞的最基本形式(這里所說的物質包括氣體,液體,與固體).當然氣體與液體(我們統(tǒng)稱為流體)本身因為結構不似固體緊密.我們又有另外一個專有名詞來形容它,叫做熱擴散(Diffusion).若諸位看官真有興趣的話,不妨把下面的公式熟記,對以后您專業(yè)素養(yǎng)的養(yǎng)成,抑或是將來更深入的技術,探討彼此的溝通都非常有幫助(這可是入門的第一招式,千萬別放棄您當專業(yè)消費者的權益了!).另外,為了避免您一開始走火入魔,請容我先將所有的單位(Unit)都拿掉.
Q = K*A*ΔT/ΔL
其中Q為熱量;就是熱傳導所能帶走的熱量.
K為材料的熱傳導系數(shù)值(Conductivity);請記住,它代表材料的熱傳導特性,就像是出生證明一樣.若是純銅,就是396.4;若是純鋁,就是240;而我們都是人,所以我們的皮膚是0.38,記住! 數(shù)值越高,代表傳熱越好.(詳細的材料表我將于日后擇篇幅再補述!)
A代表傳熱的面積(或是兩物體的接觸面積.)
ΔT代表兩端的溫度差;ΔL則是兩端的距離.
讓我們來看一下圖標,更加深您的印象!
熱傳導后溫度分布
銅材的導熱系數(shù)高,經過熱傳導后,溫度在銅材中分布就非常均勻,相反的,木材的導熱系數(shù)偏低,于是相同的傳導距離,木材的溫度分布就明顯的不均勻(溫度顏色衰減的非常快;表示熱量傳導性不良.)
從上述的第一招式我們可以知道.熱傳導的熱傳量.跟傳導系數(shù),接觸面積成正比關系(越大,則傳熱越好!)而跟厚度(距離)成反比.好,有了這個觀念,現(xiàn)在讓我們把焦點轉到散熱片身上,當散熱片與熱源接觸,我們需要的是"吸熱",能夠大量的把熱吸走,越多越好.各位可以到市面上看看最近有一些散熱片的底部會加一塊銅板不是嗎?或甚至干脆用銅當散熱片底板.就是因為它的熱導系數(shù)比鋁多出將進一倍(當然還有其它技術原因,容我先賣個關子).
嘿,嘿,聰明的讀者,您一定也發(fā)現(xiàn)了一個問題,散熱片的底部厚度好象越來越厚耶!如果照我說的話,那不是傳熱效果越差了嗎?如果您會問這個問題?先恭喜您!您已經有本事報名英雄大會了.這牽涉到另外一門有趣的課題.因篇幅關系,這一次我并不打算放進來.請諸位海涵!
2.)熱對流(Convection)
流動的流體(氣體或液體)與固體表面接觸,造成流體從固體表面將熱帶走的熱傳遞方式.這一招是三招里面最為博大精深的一招,老祖先依其流體驅動的方式將之轉換折成貌和神離的兩招,分別是
A.)自然對流(Natural Convection):
流體運動是來自于溫度差.溫度高的流體密度較低,較輕會向上運動.相反的,溫度低的流體則向下運動.所以是流體受熱之后產生驅動力.(這里各位要牢記一件事,只要溫差,沿著重力場方向的流體就會開始運動,帶走熱量!)
B.)強制對流 (Force Convection) :
顧名思義,流體受外在的強制驅動力如風扇驅動而產生運動.驅動力往那兒吹,流體就往那兒跑,與重力場無關.不是很了解對吧!百聞不如一見,脫掉你寶貝計算機的灰白色夾克.您應該會看到如下圖所示的精采內臟.
如此清楚了嗎?芯片組散熱片不加風扇,利用的是自然對流將熱量帶走,表示熱量不高(一般來說介于3瓦~8 瓦).至于CPU則因為熱量較高 (尤其是桌上型計算機,至少都在30瓦以上),自然對流的散熱量不足以帶走廢熱,因此得利用到風扇驅動.至于更詳細的各種芯片封 裝(package)制程,規(guī)格資料與散熱量的關系(別忘了CPU也是一種封裝,只是檔次較高!),還有自然對流及強制對流在散熱片設計上的考量差異性,我會在往后的篇幅中以專題的方式撰寫.讓各位不但對電子散熱有所了解,更知道整條電子鏈的運作模式.
看看它的公式吧!為什么說它最博大精深是有原因的.到了這兒,請千萬小心,步步都是富貴險中求.殊不知多少江湖英豪;名門俠女都曾栽在這塊看似山青湖靜,實則風陰濤涌的領域(包括筆者都曾差點兒翻不了身).一則是從此開始.您才真正進入"散熱"的大堂.一則是這 里又多了一門至深至幻的學問叫做流體力學(Fluid Dynamic).我想試問各位一生中有多少次機會看到風扇是怎么吸空氣;又是怎么把空氣吹出來的?我們換個角度想,要讓流體產生運動,一個必要的因素是什么?知其然,更要知其所以然,道行高的您或許已開始發(fā)出會心的一笑,還不了解的看官也別擔心, 這運功煉氣可是半點兒急不得.漸納慢吐,氣通任督灌丹田,才是習知之道.
Q = H*A*ΔT
Q 為熱對流所帶走的熱量.
H 為熱對流系數(shù)值(Hest Transfer Coefficient).
這里是筆者及數(shù)字高人討論過后,一致公認散熱領域內最虛無飄渺的一個參數(shù)了.它既不是材質特性,更不是什么散熱標準.說穿了還真有點兒好笑.這是老祖先想破了頭還是一無所知的情況下,直接寫下的腳注.不信嗎? 敢問諸位高手,只聽過H是隨著流體狀態(tài);流場形式;固體表面形狀的影響而改變的"常數(shù)"值(例如:垂直方向的平板流H=10~20,最多是個H與速度的幾次方成正比關系),從沒看過哪一個方程式是可以解出H值的.(道道地地,不折不扣的"經驗值"!!)
A 代表熱對流發(fā)生時的"有效"接觸面積.這里我要再一次強調.表面積大只是好看,有效表面積也大那才夠實在.至于什么是"有效",將來我會舉一些活生生的實例給各位看,到時候可別合不攏嘴.散熱片的變化無窮,主要在于它的鰭片設計,一個設計良好的鰭片.會內外兼顧,不但跟空氣的接觸表面積大,而且大的很實在.否則花那種冤望錢,不如自己做一塊銅塊蓋上去不就好了嗎?當然金屬量產的加工制程上有一定的限制,不同的制造工藝各有其優(yōu)缺點,有時設計者不得不作一些妥協(xié)與讓步.
ΔT代表固體表面與區(qū)域流體(Local Ambient)的溫度差.這里就更驚險了.散熱片的設計,一個不小心就會跌入這個要命的陷阱里,它跟上面的所謂"有效"接觸面積還真有那么一點關系,我留一點兒空間先不說穿,讓各位也想一想.
為什么我說到了這兒才算真正開始處理散熱問題.因為不論自然對流或強制對流,靠流體把熱帶走是現(xiàn)下最經濟實惠的方式.殊不知地球大氣運行時的妙用無窮,我們換一個角度想,能量守恒定律,或許您也能參詳一二.周圍盡是用不完的空氣,不拿它來出出氣,怎么說也 是暴斂天物,您說是嗎?
下一次我們再談另一個能量傳遞的方式(它也是"散熱"的一員,只是平時韜光養(yǎng)晦,深藏不露,但發(fā)起威來,套句廣告詞~"凡人無法檔").而且角色變化多端,非常有個性,也是筆者最喜歡的一個,請容我在此先擱筆.咱們下次再談!散熱,吸熱,還是絕熱重要?
接下來介紹的,可又是散熱的一名角兒.只是它的名氣沒"熱對流"來的大,一般說來在主動式散熱片(Active Cooler)的散熱比例上占的份量也有限,所以大伙兒常忽略它.可是它在實際生活中扮演的角色可豐富了.您加熱時絕對有它,散熱時它也有份,當要絕熱時,更不能沒有它,更夸張的是,少了它,地球的生態(tài)環(huán)境瞬間就會失衡,看下去吧,向您鄭重介紹……
3.)熱輻射(Radiation)
若說上一招"熱對流"是謂博大精深,那這一招可就真算得上是"清風拂山崗;明月照大江"的太極絕學了.待我解釋完,您就知道我開頭所述句句真言,絕無誑語.別看它又清風,又明月的.真發(fā)起來,那可是招招重手,決不留情.(您以為炎炎夏日太陽的熱情是靠熱傳導或熱對流招呼到您身上的嗎?再舉個更生活的例子,沒用過也看過燈管式電暖氣吧?再告訴您一個小秘密,筆者求學時就曾經利用180瓦的工地用鹵素大燈兩個煮三人份的火鍋,不蓋你,這些都得拜熱輻射所賜!)這說完它加熱的好處,我留一點篇幅稍后 再解釋它與散熱,絕熱的關系.讓我們先把焦點轉回它的原理上.
有人曾問筆者,熱輻射是不是放射性的a,b,g輻射波,您說呢?那可是對任何生物都會造成傷害性的輻射線耶!不要懷疑,雖不中亦不遠矣 ,它們還真有血源關系呢,這一部份因為是筆者最喜歡的一種散熱方式,也是當今能參透這門絕學的人少之又少(包括筆者也不是),是以筆者不得不一吐為快,交代清楚,以免讓各位越看越模糊,熱輻射是一種可以在沒有任何介質(空氣)的情況下,不需要靠接觸,就能夠達成熱交換的傳遞方式.一種我戲稱為"熱數(shù)字訊號"(Thermal Digital Signal)的波的形式達成熱交換.既然是波,那就會有波長,有頻率 ,而所謂波的能量,就是頻率乘上一個叫做普郎特的常數(shù)(Planck's Constant ),既然跟頻率有關,那好,頻率的大小依次是Gamma 射線 ,X射線,紫外線,可見光,紅外線,微波…而熱輻射能量就介于紫外線與紅外線之間,所以還算排行老三呢,但光是如此就讓你在7月中午的 太陽下站不住五分鐘了吧!其實您還得感謝地球上有大氣層,空氣和水分子,這些介質幫我們吸收掉了不少能量呢!
好,咱們再回到主題,既然不需要介質,那就得靠物體與物體表面的熱吸收性與放射性來決定熱交換量的多寡.我們統(tǒng)稱為物體表面的熱輻射系數(shù)(Emissivity),其值介于0~1之間,是屬于物體的表面特性,有一點兒像熱傳導系數(shù)(Conductivity) 都屬于材料特性.(其實吸收性(率 )與放射性(率)是一樣的,我稍后解釋.嚴格來說,物體表面的熱輻射特性有三種,分別是吸收率,反射率和穿透率.這三者加起來的值和為1,像是玻璃,它的能量穿透性很強,所以相對的吸收性與反射性便較弱).讓我們看一下它的公式吧
Q =e˙s˙F˙Δ(T4)
Q 為物體表面熱幅熱的熱交換量.我在這兒強調是熱交換量而不是帶走的熱量.因為公式本身牽涉到兩個表面在進行輻射熱交換,當假設其中一個表面不存在時,則存在的表面便假設是與某一有限遠的固定大氣溫度進行熱交換.
e 物體表面的熱輻射系數(shù)(Emissivity),其值介于0~1之間,是屬于物體的表面材料特性,這一部分當物質為金屬且表面拋光如鏡時,熱輻射系數(shù)只有約0.02 ~0.05而已,而當金屬表面一但作處理后(如表面陽極處理成各種顏色亦或噴漆,則熱輻射系數(shù)值立刻提升至0.5以上 ,如下圖所示當散熱片表面處理成綠色后,熱輻射系數(shù)值立刻由0.03提升至0.82.
處理前 處理后
而塑料或非金屬類的熱輻射系數(shù)值大部份超過0.5以上,s是波次曼常數(shù)5.67*10-8 ,只是一個常數(shù).
F是里面最玄的一個,洋文叫做Exchange View Factor,中文應該說成是輻射熱交換的視角關系,它其實是一個函數(shù),一個跟兩個表面所呈角度,面積,及熱輻射系數(shù)有關的函數(shù).非常復雜,筆者在此不敢再寫下去,以免各位看官承受不住.
Δ(T4)最后這個算是最好說的,但也最容易被一般剛入江湖的年輕人弄錯的.它正確的寫法如筆者框紅線所示,是(Ta4- Tb4)而不是(Ta- Tb) 4,.這其中Ta是表面a的溫度而Tb是表面b的溫度。
嘿!嘿!如何.寫到這兒,如果您是屬于完全領悟參透型的高手,那筆者不但恭喜您 ,而且相信您一定也是一位玩熱的專家,若您是屬于不知筆者所言為何物型的看官也別著急,看看下面的照片或許能加深您的印象： Intel Pentium IV的CPU
在紅外線攝影機下拍到的熱像就是那樣,金屬帽因為熱輻射系數(shù)低,相對熱輻射量就小,所以顏色溫度低,而芯片基板上表面是接近樹脂材料所以熱輻射系數(shù)較高,相對熱輻射量就大,溫度顏色就高.如此,懂了嗎?
熱輻射
所以熱輻射的定義是如果物體本身是一個好的輻射散熱體,那相對的它也絕對會是一個好的輻射吸熱體,這吸熱與散熱就端看物體表面本身的溫度與周圍或另外一個物體表面的溫度是高是低.若是高,則熱便會藉由熱輻射散出去,反之熱就會被吸收進來.而通常在熱對流效應相對很強的情況下(尤其是裝風扇的CPU Cooler),熱輻射量相對就有限,它與之前所說的熱對流散熱效應比較起來,幾乎
是可忽略的一環(huán).但是,反過來說,像部份芯片的被動式散熱片(Chipset Heat sink),它的熱對流散熱效應較不明顯,反而會使得熱輻射散熱效應相對提高,有時甚至會占超過30%的總散熱量.
這兒之所以我們稱它散熱的原因,就是因為我們所談的散熱片都是裝附于熱源上,通常它的溫度都會比周圍環(huán)境溫度要高出許多.
而至于絕熱呢?我想我也提出一些問題讓各位想一想,保溫瓶內為什么要用絕熱體包附水銀膽呢?給您一個提示~亮面如鏡的水銀膽反射率可是非常高的喔.那像衛(wèi)星呢?沒有大氣層的水及空氣保護吸收太陽的輻射熱,不會有過熱的問題嗎?衛(wèi)星上一樣有高精密的電子組件,耶!重點就在于衛(wèi)星面向太陽的表面有一層反射率非常高的披覆層保護著,讓太陽的熱輻射量,除了太陽能板之外,幾乎全部反射回去,以減少熱輻射量的穿透跟吸收.
各位聰明的看官,說到這兒,您認為是吸熱,散熱,還是絕熱重要呢?您是否對"熱"這個現(xiàn)象已有初步的概念了呢?別著急,將來有一天你也會跟筆者一樣對它又愛又恨的呢!話又說回來,吸熱,散熱,絕熱其實各有所長,也各有其應用于熱的時機,端看您的應用領域而有所區(qū)別,其實,大部份時候它們還是相互交會運用的機會較大呢!
好,我假設各位對所謂的熱傳遞形式熱傳導(Conduction),熱對流(Convection)，熱輻射(Radiation)都有了初步的認識,讓我?guī)透魑徽硪幌滤季w,把焦點轉回到CPU Cooler的基本架構上,一塊一塊的剖開來定義清楚,現(xiàn)在讓我們進入到下面的這張圖片去 :
(1) 風扇:熱對流組件,功能上就在于驅動空氣灌入下方的散熱片中,利用新鮮且大流量的冷空氣灌入,并加上風扇本身驅動流場的甩動特性,提高了之前所提到
過的熱對流系數(shù)值(Hest Transfer Coefficient).藉此提高熱對流的散熱效果.其所占散熱的比例份量最重,算是散熱界當紅的炸子雞.
(2) 扣具:嚴格說,它算是機構組件,不是散熱組件.主要是將散熱片扣合在CPU的表面上,但研究發(fā)現(xiàn),當散熱片底板與熱源接觸面受力越大,則固體表面間的接觸熱阻抗越小,所以,扣具的研發(fā),也慢慢轉型為針對散熱片受力均勻性為重點.既然牽涉到接觸阻抗,那就牽涉到散熱片底部的吸熱能力,所以,扣具也算是半個熱傳導組件.
(3) 散熱片(鰭片部份):我們細分這個部份,它算是連接(吸熱)熱傳導與熱對流及熱輻射(散熱)的最重要管道,因為散熱的三大最基本條件就是"面積,面積,面積",讀者可參詳Part2 與Part3的內容公式便知,這散熱片的技術與工藝主要就在這兒,其次,表面陽極處理也是一個非常重要的工藝,它不僅僅是設計上的美觀,更牽涉到輻射熱交換量的多寡,所以,鰭片設計的好壞,直接決定了產品的生死.當然各種不同的機械加工產品各有其設計上的考量(有的是以吸熱為主;有的是以散熱為主),但若程度差太遠,那就很可惜了,筆者見到坊間不少不忍目睹的散熱器,想想,鋁條若有知,也一定會暗自掉淚吧!
(4) 散熱片(底板部份):熱傳導組件,這兒是純粹就吸熱而言,決定底板的好壞,先要知道問題的癥結在那兒,吸熱的致命關鍵就在克服 與熱源的接觸熱阻(Contact Resistance)及熱傳到底板之后的擴散熱阻(Spreading Resistance),所以,底板的設計可也是絲毫茍且不得的.殊不知所有的源頭就在于熱如何被有效的帶出來,連源頭都處理不好,更別談接下來的散熱了.看官們可以參照產品評估報告,互相比較,便知其中奧妙.更可以加深您的印象,讓您向專家之路再邁進一大步.
(5) 熱導介質:也是熱傳導組件,坊間有不少導熱膠片或導熱膏產品,姑且不論其好壞,它的功用就在于克服金屬接觸面的微小縫隙,別小看它薄薄的一片,您若不怕CPU冒煙的話,下次換一般黏土玩玩看,保證有趣的要命,(筆者曾測試過,那種坐云霄飛車的快感,保證讓您難忘又難過好一陣子),至于導熱膠片好還是導熱膏好,并沒有一定,但效果好是最重要的,將來筆者會針對一系列不同材料評估比較給您知道.
(6) CPU:熱源,這邊若細談會牽涉到封裝制程,要說好一陣子(包括所有的封裝演進史與發(fā)展過程),筆者再選適當時間敘述.
(7) (8) Socket與主板,這兒筆者之所以要把這兩項放在一起談,就是因為散熱的考量,其實,熱源所釋放的熱,有10%以上是往下經由Socket從主板被帶走的,告訴您一個重點,主板是一塊非常大的散熱板,筆者見過不少系統(tǒng)都有直接(或間接)針對主板強大的散熱能 力上作文章的.這其中不止PC產品而已,包括液晶投影機,電源供應器(不斷電系統(tǒng)),網絡數(shù)據交換機….都曾對主板這帖不可多得的散熱藥材下過一翻工夫.
說到這兒,必須對這次的主題下一個結語了,單刀直入,散熱還是您我最關心的重點,但在還沒散到熱之前,必須解決的是吸熱的問題,至于絕熱呢,還不到時候,多想無益.往后,筆者會針對吸熱與散熱的重點(當然是深入淺出,而且包容萬象)一五一十敘述,讓大家從此踏入這個領域,一窺這百家爭鳴的熱鬧與璀璨.坐穩(wěn)了.引擎一旦激活,您就只能睜大眼,張大嘴,豎起耳多跟著我這個導游一起體會這無限的熱疆界
熱設計資料下載： 散熱_吸熱_還是絕熱重要.pdf
標簽： 點擊： 評論:
