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    揭開散熱鰭片的神秘面紗:基礎熱學
    點擊次數:3 更新時間:2023-11-24

      揭開散熱鰭片的神秘面紗:基礎熱學

      1、序論:

      隨著計算機中央處理器的頻率不斷成長,中央處理器產生的熱量也越來越驚人,古早的中央處理器不需要散熱片,而現今的產品則是不安裝散熱片可能會燒毀,臺灣被稱為信息硬件的制造王國,計算機的DIY風氣極為盛行,而計算機硬件的超頻也跟著大行其道,為了將中央處理器的頻率能夠跑的更高,廠商跟著不斷的推出各式各樣的散熱器,網絡上千奇百怪的超頻理論紛紛出籠,在本文中不討論如何進行超頻,而是針對目前市面上*常見的鰭片結構之空冷散熱器,嘗試以經過學術驗證的流體力學和熱傳學理論,來探討其設計與性能之優劣,并希望能夠提供讀者一些正確的觀念,并導正一些常見的散熱謬論。

      致謝: 感謝sarion 先生在文字、文意上的斟酌與校稿

      2、理論基礎:

      所有物體的熱傳可以分成三種:熱傳導、熱對流及熱輻射。一般而言,熱輻射出去的能量太小,所以可以忽略不計。因此在散熱鰭片里,*重要的兩個熱傳機制就是熱傳導及熱對流。在一般計算機的散熱裝置里,熱傳導的重要性并不亞于熱對流,因為這是能否將芯片產生的能量傳送到鰭片的重要因素,但是想要降低溫度,熱對流就占有很大的影響要素。因為能量是由流體靠著對流的現象[無論是強制對流或是自然對流],把芯片產生的能量給帶走。

      3、比熱及熱傳導系數:

      比熱跟熱傳導系數這是兩種不同的量值,但是很多人卻將他們給搞混了。

      比熱的定義為:單位質量下需要輸入多少能量才能使溫度上升一度K (),

      而熱傳導系數的定義為:每單位長度、每度K,可以傳送多少瓦數的能量()。

      簡單說來,比熱的定義是指出整體內能的變化,但是熱傳導系數卻是傳送能量的能力。??吹侥承┯布y試文章的作者,在文章中提到:「某材料吸熱快散熱慢,所以如何如何」,筆者看到"吸熱快散熱慢"這六個字實在大惑不解,翻遍了手上有的Heat Transfer 書籍,甚至是Journal of Heat Transfer、Journal of Heat and Mass Transfer等期刊也沒有看過類似的理論。

      抱持吸熱快散熱慢理論的硬件測試文章作者,多是觀察了幾個散熱器的溫度升降狀態就做出某某材料會吸熱快散熱慢的推論,殊不知吸熱快散熱慢*多只能用來描述某散熱片在某特定時間下的狀態, 但是將吸熱快散熱慢當成是某種材料的特性,那就犯了常見以特例論證通則的邏輯謬誤。

      由*基本的能量守恒觀念來看,一個系統如果吸熱快散熱慢,這表示在單位時間內進入此系統的熱能一直大于離開此系統的熱能,此系統內的熱能將不斷的增加,系統溫度就會上升,如果吸熱快散熱慢是這個系統的特性的話, 這個系統會出現溫度不斷上升,直到整個系統無法負荷更多熱能而整個燒毀的狀況。

      但是事實不會出現這樣的狀況,因為吸/散熱快慢跟熱傳導系數、熱對流系數及溫度梯度有關聯,吸/散熱快慢是不斷在變化的,沒有一個系統會有吸熱快散熱慢的特性,假設一個系統A原本處于向系統B吸取熱快,將熱散到系統C慢的情況下,系統A溫度會不斷的上升,如此A與B間溫度梯度變小,吸熱就會變慢,A與C間溫度梯度則變大,散熱就會變快,因此系統A會由吸熱快散熱慢的狀態逐漸變成吸/散熱速度相等的狀態,一直到穩態時就會變成吸散熱速度相等,系統A的溫度不會變化。

      4、長條型鰭片和圓柱型鰭片:

      在散熱器本身的熱傳里,有這一個相當重要的因素:流體流動。而長條型鰭片跟圓柱型鰭片的差距,就是流體的流動。在圓柱型鰭片周圍,因為流體的阻力較小,流體容易流動,也因此容易帶走在圓柱的能量,加強了對流的效果,因此在相同面積的散熱鰭片里,圓柱型鰭片都會比長條型鰭片有著更好的熱傳效果。這一方面的應用實例如:Swiftech MC462。

      圓柱型鰭片:Swiftech MC462

      長條型鰭片:

      差異性。

      5、散熱器底座厚薄? 熱阻的概念:

      散熱器底座對于熱傳是否有影響? 有很多人會人為沒有。其實這是因為現階段鰭片使用的金屬的熱傳導系數較高(鋁、銅),外加厚度不明顯,所以影響不容易看出來。有興趣的人可以做一個實驗,拿一塊鐵塊,高度1公尺,然后在鐵塊周圍用干毛巾包起來,然后上層再用一散熱鰭片來作散熱。如此一開機,筆者幾乎可以保證,不需要太久就會當機了。為什么? 因為鐵塊的熱傳導系數雖然也頗高,但是在鐵塊內部還是會有溫度梯度的存在。雖然鐵塊內部可以容納頗多的能量,但是上層的散熱鰭片不能得到較高的溫度梯度,使得熱逸散的能力近乎沒有,而底部的芯片一直在傳送能量給鐵塊,導致兩端的溫差越來越大,終于突破芯片可以忍受的*高溫度而導致當機。而這塊鐵塊就是熱阻。當然也可以把這鐵塊換成寶麗龍,或是空氣,這當機的速度就會越明顯。

      講到這邊筆者想就會有很多人可以舉一反三,了解扣具的用意在哪了??劬卟恢皇菍Ⅵ捚潭ㄔ谛酒厦?,他的作用也是降低熱阻。熱阻跟壓力也成逆相關。壓力越大熱阻越小。那壓力越大不就越好? 假如芯片可以承受,那就很**,但是這世界卻不是這樣**的。因此就有人在芯片跟鰭片之間涂抹散熱膏來填補芯片跟鰭片之間的空隙,降低熱阻。當然,如果芯片跟鰭片兩接觸平面是**的平面,那熱阻可以說是沒有,也因為世界的不**,所以無法達成**的接觸平面,所以就有人會特地替鰭片作提高平面度的工作。這些都是為了讓熱阻降低,增加芯片跟鰭片之間的熱傳。不過,筆者建議不要太過火了,因為這項工作只達成了熱傳導,卻達不成熱逸散。

      但這邊卻有一特殊的應用:銅底。為什么要在鰭片底部加一薄銅片?原因很簡單,因為銅的熱傳導系數比鋁高,所以可以更均勻的將能量傳送到鋁鰭片的四周外圍鰭片。這是因為鋁本身的熱傳導系數不是無限大,所以在鋁鰭片里面會有溫度梯度的存在:中心溫度較高,四周溫度較低。然而熱傳的一個重要因素就是溫度梯度,如此一來雖然中心有著較高的熱傳效果,但是鰭片四周卻比中心的熱傳效果差,導致整體熱傳效果的減低。因此使用銅片來解決這溫度梯度的不均勻問題。雖然銅片增加了熱阻,但是增加了一點點的熱阻卻大大加強了整體鰭片的溫度均勻分布,可以說得多于失。

      除了銅底,也有人使用銅柱﹙ex:下圖的 ARKUA 7528﹚,當然這也是相同的原理。但是使用銅柱時,對于氣流的處理必須更加注意,不然軸流風機的氣流一出來馬上就被銅柱給擋回去,形成回流造成能量的損耗。

      6、高頻噪音:風速對熱傳的影響

      筆者認為大部分的人都知道風速越大,熱傳效果越好。理論上如此,實際上也如此 [考慮直接吹入芯片的進氣方式,不考慮其它方式,因為其它方式不一定會有比較好的結果,這還得考慮回流區對于鰭片的影響] 。因為風速越高,熱對流效應越強烈。但是這有幾個問題,是否一定只有高風速才會對熱傳有**性的影響? 是否只有高頻噪音才會帶來高風量? 風量是不是可以毫無限制的提高? 的確,風速對于熱傳的影響可以說接近**:在一定的速度之下。為什么? 大家想想航天飛機的隔熱磚就知道了。當流體磨擦所損耗的能量大于所能帶走的能量之后,那么就會見到鰭片溫度越來越高,甚至融化。不過這種**的速度已經在音速以上了[以空氣而言,其它流體不一定]。這也就是說可以不用考慮這樣的影響。如果,能以其它比空氣黏滯性系數還低的氣體來當作進氣,那么就能以較低的風速得到一個一樣的散熱結果。此外,改變氣體密度,渠道[假設CPU散熱裝置為一矩形渠道]寬度也能得到一樣的結果。歸納這些考慮因素,可以得到一個無因次化[就是把所有的質量、長度、時間等因次項給消掉的純量值]參數:Reynolds number(Re)。 這就是影響熱傳*主要的因素。一般廠商都是直接增加Reynolds number 來改善熱傳,因為這*簡單,*不需要花時間設計鰭片。[Ex:冰天X地 ]

      那是否只有高頻噪音才能帶來高風量? 這答案一定是否定的。大家想想,電風扇的風量夠大吧? 那種掛在天花板的大風機風量也很足夠,但是轉速就是很慢。這就是作用面積的影響。假如使用一個類似漏斗的東西,將大風扇的風收集轉成小面積吹入鰭片里,如此一來不但能降低噪音,也能得到足夠或是更高的風量,而這就是大轉小風罩的原理:因為流量是跟面積和速度成正比。

      還有一個問題就是風速是否能毫無限制的增加? 假如風扇不變大,單純使用軸流風扇的情況下,筆者可以說這是不可能的。這就得考慮到另外一個觀念:邊界層分離。什么是邊界層分離現象? 筆者想大家都有看過在河流里面的樹枝,當水流流速達到一定程度時,樹枝的后半表面會開始形成一個渦流的現象[不是背后,是表面],而這個現象就是邊界層分離。當風扇轉速達到一定程度時,空氣也會在葉片表面形成此現象,當此現象越來越嚴重時,就會產生失速的現象,這也就是說風扇再怎樣輸入能量得到更高的轉動都不能得到更高的風量,甚至會得到反效果。這也就是說不改變鰭片外型,鰭片的熱傳能力是有上限的。

      7、鰭片長度的影響? 鰭片效率的概念:

      鰭片是否越長越好? 理論上是,但是必須考慮到他的效率問題。因為這跟成本有很大的關聯。然而要如何考慮鰭片效率? 這方面的數學型式頗重,這篇不是學術性的報告,所以筆者只指出他的相關性參數:熱對流系數、鰭片長度、整體面積、熱傳導系數,周長。因為數學模式并不簡單,所以筆者并不想詳細介紹。一般說來長度越長,鰭片效率越差,熱傳導系數越高,鰭片效率越好。這也就是說使用銅做成的鰭片會比同造型的鋁鰭片有著更好的效率,面積越大的鰭片也會有較好的鰭片效率。

      8、熱傳的原罪:熱邊界層的概念:

      什么是熱邊界層? 簡單的說,就是流體在物體表面產生對流效應時,因為流體的熱傳導系數很差,接觸物體表面的流體無法順利的將能量傳送給上層的流體,所以流體和物體表面作用出一層溫度較其它流體高的流體,而這層流體就稱作熱邊界層。因為這層流體因為溫度較高,阻礙了較冷流體和物體表面的對流,降低了熱傳的效果。這代表什么意思呢? 筆者想用抽風跟吹風的差別會比較容易了解他的內涵:為了增強鰭片的散熱效果,建議將*低溫的流體直接流入*高溫的鰭片上。因為熱邊界層的成長,會導致熱傳效果的降低,如果將*低溫的流體流進*低溫的鰭片上,這樣就會導致流體流到在*高溫鰭片底部,因為熱邊界層的影響而阻隔了較低溫流體跟高溫鰭片的熱交換,進而降低了熱傳的效果。

      9、實戰篇:

      在眾多的鰭片中,要如何選購一顆可以勝任高發熱芯片的散熱裝置呢?其實,這并不難,只要使用熱傳學的觀點來看,好與不好幾乎一眼就可以看穿了。首先,拿到一顆鰭片,我們必須先考慮流體在鰭片內部好不好流動? 光這一點就可以幾乎剔除了現階段市面上可以看到的所有鰭片了。因為密密麻麻的矩形條狀鰭片跟放射性鰭片,甚至是圓柱型鰭片相比,流體在矩形條狀鰭片里的流動性實在是太差,所以只好瘋狂的增加風量,增加面積來解決這問題。再來,考慮材質,因為這對于鰭片的效率有著相當高程度的影響,這也是為什么在高發熱芯片的世界里,鋁制鰭片越來越難存活的原因??紤]鰭片表面的光滑性,粗操的表面可以得到較好的效果,考慮風扇的風量,使用高風量的鰭片會有著較好的散熱效果??紤]整體溫度的均勻性,假如銅鰭片底部加裝銀底如同鋁鰭片底部加裝銅底一般,這樣也會有較好的效果。

      此外,假如鰭片上方有風罩的設計,這對于散熱是有幫助的,氣體的流動方向,一般而言,抽出氣體的方式會比吹入氣體的方式有著較佳的散熱效果。但是一使用抽出氣體的方式來散熱,氣體的流動性會變得相當重要,因為抽出氣體會使得鰭片周圍變成負壓區,但是負壓區很小,造成能流體有在流動的區域也相對的變小,假如沒有控制好流體的流動,會導致底部的高溫區域得不到氣體的流動,這樣是得不償失的。

      ex:采風罩設計的散熱器:

      10、結論:

      寫了這篇,只是希望大家能得到較正確的熱傳觀念,不要被沒受過正統的熱流教育,滿腦子只有想象的幾位硬件文章作家所誤導。流體力學跟熱傳學的世界里,經驗常常是會出差錯的,因為他們只能看到表面,卻看不到其中所內涵的道理。這就像是大家看到鳥揮動翅膀就可飛行,但是自己怎樣的揮動翅膀就是飛不起來一樣。因為他們只看到表面,卻沒看到鳥類為了飛行所達成的演進,及其中流體的流動,利用上升氣流的幫助等力學原理。

      此外筆者省略了熱管及層流、紊流對于熱傳上的影響及其不同,熱管是因為筆者接觸的不多,怕產生誤導而省略,層流及紊流是因為內涵的數學觀念更多,講下去睡著的人可能有一大半了。

      11、參考書籍:

      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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