风冷散热器研究设计

风冷散热器研究设计

前言

所谓风冷散热器，其散热原理即通过与发热物体（一般为CPU、GPU等半导体芯片）紧密接触的金属散热片，将发热物体产生的热量传导至具有更大热容量与散热面积的散热片上，再利用风扇的导流作用令空气快速通过散热片表面，加快散热片与空气之间的热对流，即强制对流散热。

风冷散热器分解图：

一款优秀的风冷散热器必须具备三个条件：

1、采用做工精良，设计合理。材料合适的散热片。

2、配有性能强劲，工作稳定，长寿命的风扇。

3、以及出色的整体结构与安装设计。

然而要设计出一款优良的散热片，我们就必须对热力学、散热器的部件及其结构有所了解，那么我们就将风冷散热器的讲解分为热力学、散热片、风扇、扣具结构等几个部分，及其风冷散热器的各项指标以及现行技术进行浅要的分析与介绍。

第一章

热力学基本知识

首先来说说相关的热力学方面：物理学认为，热主要通过三种途径来传递，它们分别是热传导、热对流、热辐射。为了保证良好的散热器性能，就要已符合上述三种途径的要求来设计产品，于是在材料的热传导率、比热值；散热器整体的热阻、风阻；风扇的风量、风压等等方面都提出了要求。

热传导

定义：通过物体的直接接触，热从温度高的部位传到温度低的部位。

热能的传递速度和能力取决于：

1.物质的性质。有的物质导热性能差，如棉絮，有的物质导热性能强，如钢铁。这样就有了采用不同材质的散热器，铝、铜、银。它们的散热性能依次递增，价钱当然也就成正比。

2.物体之间的温度差。热是从温度高的部位传向温度低的部位，温差越大热的传导越快。

热传导是散热的最主要方式，也是散热技术需要解决的核心问题之一。所以我们通常都能看到，几乎所有散热在与CPU相接触的部分都采用热传导性能良好的材料。许多厂商都在于CPU接触的部分采用塞铜柱或铜片的工艺，就是为了将热量尽快传导出来。

热对流

热通过流动介质（气体或液体）将热量由空间中的一处传到另一处，即由受热物质微粒的流动来传播热能的现象。根据流动介质的不同，可分为气体对流和液体对流。影响热对流的因素主要有：

1.通风孔洞面积和高度

2.温度差：原因还是因为热是由高到低方向传导。

3.通风孔洞所处位置的高度：越高对流越快。

4.液体对流：导热效果比较好，因为液体比热要大些，所以温差大，导热快。

之所以在CPU散热器安装的风扇，也就是为了产生强制热对流而加强散热性能。理论上说，只要散热器表面积足够大，是无需强制热对流的，但实际应用中，由于空间与结构的原因，散热器不可能做的无限大，所以采用风扇的主动散热器是最常见的，并且可以根据散热的需求而采用不同转速和大小规格的风扇。少数散热器也能采用被动散热的方式，比如下图中的产品，但散热器已经覆盖了大半个主板。

热辐射

是一种可以在没有任何介质(空气)的情况下，不依靠分子之间的碰撞，又不依靠气体或者液体的流动就能够达成热交换的传递方式。影响热辐射的因素主要有：

1、热源的材料。材料的比热越小相外辐射能量越快，反之就越慢。

2、表面的颜色。一般来说，色光亮的（如白色或泫色）物体表面吸收和释放辐射能量的速率较慢。深颜色（黑色）的物体表面吸收和释放辐射能量的速率较快，有趣的是物体释放电磁波的能量越高，其吸收能力也高，反之亦然。

当然，在普通应用环境中，比起热传导与热对流，热辐射起到的散热作用微乎其微，因此在此方面不必太在意。

以上三个概念是热力学的基础知识。具体到材料上的特点，就需要引入热传到系数与比热值两个概念。材料的导热性能

热传导系数

由于热传导是散热器有效运作的两大方式之一，因此，散热片材料的热传递速度就是其中最关键的技术指标，理论上称作热传导系数。

定义：每单位长度、每度K，可以传送多少瓦数的能量，单位为W/mK。即截面积为1平方米的柱体沿

轴向1米距离的温差为1开尔文（1K＝1℃）时的热传导功率。热传导系数值越大，表明该材料的热传递速度越快。

由上表可以得知，银、铜的热传导系数最好。但是很显然，这两种材料的成本较高，不利于大规模量产。因此在目前的市场中，我们见到的最常用散热器材料就是铝合金与铜。

比热容

热传递的速度很重要，但是吸收热量能力低也不利于散热，这里又引入了比热容的概念。

定义：单位质量下需要输入多少能量才能使温度上升一摄氏度，单位为卡/（千克×°C），数值越大代表物体容纳热量的能力越大。

根据上表得知，水比热容最高，比金属有更强的热容能力，这也是水冷散热器赖以生存的根本。值得注意的是，铝的比热容低于于铜，这就是为什么纯铜散热器的散热效能并没有大幅超出铝质散热器的原因。

热传导系数与比热值体现的是材料本身的特性。但是一款散热器散热性能的好坏，也要受到自身设计结构的影响。而体现这方面整体性能的参数，就要依靠热阻与风阻两个概念了。同时，散热器的体积与重量也不可忽视。

热阻

热阻，英文名称为thermal resistance，即物体对热量传导的阻碍效果。热阻的概念与电阻非常类似，单位也与之相仿——℃/W，即物体持续传热功率为1W时，导热路径两端的温差。以散热器而言，导热路径的两端分别是发热物体（如CPU等）与环境空气。

散热器热阻＝（发热物体温度－环境温度）÷导热功率。

散热器的热阻显然是越低越好——相同的环境温度与导热功率下，热阻越低，发热物体的温度就越低。但是，决定热阻高低的参数非常多，与散热器所用材料、结构设计都有关系。

必须注意：上述公式中为“导热功率”，而非“发热功率”。因为无法保证发热物体所产生的热量全部通过散热器一条路径传导、散失，任何与发热物体接触的低温物体（包括空气）都可能成为其散热路径，甚至还可以通过热辐射的方式散失热量。所以，当环境或发热物体温度改变时，即使发热功率不变，由于通过其它途径散失的热量改变，散热器的导热功率也可能发生较大变化。如果以发热功率计算，就会出现散热器在不同环境温度下热阻值不同的现象。

散热器（不仅限于风冷散热器，还可包括被动空冷散热片、液冷、压缩机等）所标注的热阻值根据测

试环境与方法的不同可能存在较大差异，而与用户实际使用中的效果也必然存在一定差异，不可一概而论，应根据具体情况分析。

散热公式：

下面为一个基本的热转换方程式：

H = Cp×W×△T

其中

H = 热转换量

Cp = 空气比热

△T = 设备上升的温度

W = 流动空气重量

即： H热转换量= Cp空气比热×W流动空气重量×△T设备上升的温度

我们已知W = CFM×D

(CFM)=移除热量所需的风量

其中D = 空气密度

Q：所需冷却的热量

经由代换后，我们得到:

Q(CFM)=Q/(Cp×D×△T)

即：Q(CFM)移除热量所需的风量= 所需冷却热量/{ Cp空气比热×D空气密度×△T设备上升的温度 }

再由转换因子(conversion factors)与代入海平面空气的比热与密度，可得到以下的散热方程式：

CFM = 3160×千瓦／△℉

然后得到下列方程式：

Q(CFM)={3.16×P}/{△Tf=1.76×P/△Tc}

Q(M3/Min)={0.09×P}/{△Tf=0.05×P/△Tc}

其中

Q(CFM):移除热量所需的风量

P：设备部散热量(即设备消耗的电功率)

Tf：允许部温升(华氏)

Tc：允许部温升(摄氏)

DT = DT1 与DT2 之温差

明白了上述的公式后，我们就该了解下面对散热器产生风量的FAN风扇部分：

第二章

FAN散热风扇：

DC 风扇运转原理：

根据安培右手定则，导体通过电流，周围会产生磁场，若将此导体置于另一固定磁场中，则将产生吸力或斥力，造成物体移动。在直流风扇的扇叶部，附着一事先充有磁性之橡胶磁铁。环绕着硅钢片，轴心部份缠绕两组线圈，并使用霍尔感应组件作为同步侦测装置，控制一组电路，该电路使缠绕轴心的两组线圈轮流工作。硅钢片产生不同磁极，此磁极与橡胶磁铁产生吸斥力。当吸斥力大于虱扇的静摩擦力时，扇叶自然转动。由于霍尔感应组件提供同步信号，扇叶因此得以持续运转，至于其运转方向，可依佛莱明右手定则决定。

要详细了解风扇，就要了解风扇的各个参数：风速、风量、风压、转速、噪音、寿命、功率等，然后还要了解风扇的各个部件：扇叶、扇框、轴承、定子等

风扇的各项参数：

风速：风速是风扇重要的性能指标之一，与最重要的两项性能指标之一风量关系密切。风速即风扇出

风口或进风口的空气流动速度，单位一般为m/s；仅是某一位置的速度数值，不能完全体现风扇的性能。风速在不同位置数值可能有较大差异，且平均值难以计算，一般不用来表示风扇的性能，仅在详细设计分析中才会使用。

相关元素：风速的高低主要取决于扇叶的形状、面积、高度以及转速。

扇叶形状设计、面积、高度的影响较为复杂，将在后文说明；风扇转速越快，风速越快，则是显而易见的常识。风速的高低会影响到风量以及噪音的大小。同样的过风面积，风速越高，风量越大；气流之间、空气与扇叶、外框、散热片之间的摩擦都会产生噪音，同样的风扇、散热片设计，噪音必然会随着风速的提升而增大。

风量：风量是风扇最重要的两项性能指标之一。风量即单位时间通过风扇出风口（或进风口）截面的