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浅谈CPU散热器的种类、材质、结构与散热性能
作者:admin  来源:本站  发表时间:2015-1-16  点击:2870

 

 

散热器,始终是众多硬件DIYer们关心的热门话题,尤其是那些超频发烧友:“AMD的原装散热器到底怎么样?”“要什么样的散热器才能使我的2500+稳定运行在3200+上?”“Prescott核心的P4-2.4A需要配合什么样的散热器才能稳超800MHz FSB?”这些既老调且没有标准答案的问题,在世界各大硬件网站的BBS上出现频率最高。炎炎的夏季即将来临,各位DIYer们电脑中的散热器到底能不能支撑过这段时间呢?有没有换掉现有散热器的打算?具体需要投资多少钱才能买到适合自己要求的价廉物美的散热器呢?对于市场上的一些散热器的材质结构及散热性能,本人浅谈一下自己的认识,希望以能起到抛砖引玉的作用。

虽然现在的CPU在制造工艺上有了很大的改进,但越来越高的频率使其发热量越来越令人恐怖,每块都需要用到散热器,市面上的CPU散热器从低端的纯铝制、纯铜制、纯银制,到中端的嵌铜式铝制、压铸铜式铝制、热管制,再到高端的水冷、油冷、半导体制冷、压缩机制冷、干冰制冷、液氮制冷、液氦制冷等都能买到;散热方式从被动散热到主动散热,再到主动制冷,品种五花八门,种类极其繁多,下面我们就来介绍一下各种材质、结构散热器的散热性能。 
一个完整的散热器应该是由散热片和风扇两部分组成。一、散热片介绍: 
 
1、 纯铝制散热片 
这种散热片是目前使用率最高的散热片之一,整体采用纯铝制造。铝,作为地壳中含有量最高的金属,成本低和热容低是其主要特点,虽然吸热慢,但放热很快,散热效果跟其结构和做工成正比,散热片数越多、底部抛光越好,散热效果越好,但也受其制造工艺上的制约,一般采用铝挤压式制造工艺的散热器凹槽的最小间隔只能做到1.1毫米。散热原理也是最简单的:利用散热器上的散热片来增大它与空气的接触面积,再利用风扇来加速空气流动。

2、 纯铜制散热片 
这种散热片跟铝制散热片唯一的区别就是材质换成了纯铜,因为铜跟铝相比有个先天的优点:热传导效能为412w/mk,比铝的226w/mk提高了将近1倍,但铜也有个先天的缺点:热容太高了,也就是说这种散热片吸热快但放热慢,需要配合大功率高转速的风扇,才能达到理想的效果。由于铜具有良好的韧性,制造工艺上比铝容易多了,有折页式、插齿式等,散热片的密度可以比铝制的做得更高,散热面积也相应更大,这些都可以弥补其热容高所导致散热慢的不足,但纯铜的单位成本和制造成本比铝高很多,直接导致这种散热片的价格居高不下,虽然价格高,但散热效果比铝制的要好多了。

3.热管散热系统 
这种散热系统与上述的散热片不同,上述的散热片是利用金属的热传导性能将热量从散热面积小的CPU表面传递到散热面积大的散热片上,因此,其散热性能取决于制造这个散热片所采用的材质。热管散热系统并不是利用金属的热传导性能来导热的,而是利用在密闭的铜管内液态介质的蒸发及冷凝过程传递热量的,由于液态到气态及气态到液态的转化,分别需要吸收及放出大量的热,所以热管传递热量的效率很高,导热系数比单一金属材质要高出几个数量级。

原理是:在密闭的铜管中抽真空并填入沸点较低的液体,当铜管的一头温度升高时,这段铜管里面的液体就会受热而汽化,并依靠铜管内部两端的蒸汽压力差而向另一端移动,由于另一端的温度较低,气体移动到这里时,遇冷液化并反向流回,这个反向的流动依靠热管内壁丝网结构提供的毛细泵力进行的,我们知道,当液体变成气体时是要吸收大量的热,而当气体变成液体时会放出大量的热,热管就是利用这个原理来传导热量的,典型的例子就是图示的纯铜热管散热器。

 

二、风扇介绍 
 
1、 风扇的分类 
风扇是组成一个完整的散热器中必不可少的一部分,一个再强大的散热片,如果缺少了风扇的配合,那么它的散热效果将大打折扣。现今主流的风扇按照马达中轴承的原理基本上可分为以下三类: 
① 普通轴承风扇:这种风扇是最普通最便宜、应用最多的风扇了,价格低廉但寿命不长。 ② 滚珠轴承风扇:这种风扇最近开始流行,转速比轴承风扇要提高不少,用钢珠的滚动
来代替普通轴承风扇中的机械摩擦,所以寿命要长得多,相比之下转动时的声音也要小很多,售价比普通轴承风扇稍贵。 
③ 液态轴承风扇:这种风扇是用油膜取代滚珠轴承里的钢珠,转动时不会有金属接触,
因此噪音和发热量均大幅下降,理论上无磨损;用油膜代替钢珠还使得轴承能有效吸收外来震动,保护轴承表面。从而大大增加了轴承所能承受的撞击力,它所产生的噪音是所有风扇中最小的一种,寿命最长,转速最高,但价格相对也是最高的。

2、 风扇的转速 
一个强大的散热片配合一个高转速的风扇是很有必要的,普通轴承风扇由于受其先天缺陷的影响,转速一般不超过每分钟3000转,在这么慢的转速下想保持较大的风压只能增加风叶的倾斜角度,但风叶的倾斜角度越大相应所产生的切风声音也就越大,所以这种风扇只能使用在低档的散热器中,或为那些发热量不大的CPU所散热的。 
滚珠轴承风扇的转速从每分钟2500转到8000转的都有,转速不同导致的散热效果不同,声音不同、价格也不同,一般5000转以下的是配合嵌铜或压铸铜散热片使用的,5000转以上的是配合纯铜、纯银的散热片使用的。价格从20元到300元之间。 
液态轴承风扇的最低转速就达到了每分钟5000转以上,平均都在7000转左右,更有甚者超过了每分钟1万转,ALPHA公司著名的CTT8450液态轴承马达全自动温控风扇,最高转速达到了每分钟1万2千转,但由于采用的是全自动温控方式,它能感应出散热片的温度,并能根据温度的变化自动调节转速及风叶的倾斜角度,如果温度正常的话它就保持在4000转的转速,这时的风叶也是最平的,相对声音最小;如果散热片温度升高的话那么它的转速也自动提高,风叶的倾斜角度自动加大,在这么高的转速下,风叶稍微加一丁点倾斜角度风压就会加很大,散热效果是所有风扇中最好的一种,当然它的售价也自然是最高的,光一只风扇就要卖到了5500元!这个价格能买一台中档电脑了。

3、 风扇的防风罩 
市场上有一些散热器的风扇上,装有个叫“防风罩”的东西,这个防风罩主要起两点作用:第一点是防止异物落入打伤风叶,第二点也是最重要的一点就是防止风压反弹。这个防风罩的宽度厚度及上面空隙之间的间隔距离,都是事先设计好的,使这个防风罩正好能阻止并弹回反弹上来的风压,但这种风扇只能配合它原配的散热片,否则如果换用其他散热片的话由于结构不同导致风压反弹点的不同,以使防风罩不能起到防止风压反弹的作用。

4、 风扇的散热效果: 
由于风扇的中心没有风叶,致使吹出来的风其中心的流速几乎为零,这使散热片的外围降温较快,而中间较慢,通过红外线热敏仪的测试(见右图),散热片的温度分布情况是这样的:其中红色的部分表示温度较高,蓝色的部分表示温度较低。 
好在有问题就有相应的解决办法:CoolerMaster公司出产的一款散热器,采用了飞机引擎的涡轮状式风扇,根本上解决了传统风扇的“中心风力盲区”问题,使其风能可以100%的利用。

三、散热器结构介绍: 
 
一个散热器的散热效果,不仅仅受其散热片所使用材质不同的影响,还受其散热面积的大小、底面抛光度、散热片的样式等诸多因素的影响,下面我们就来具体分析一下: 
  
1、 散热面积的大小 
散热器的最基本散热方式就是利用散热片来增大散热面积,但CPU散热器的大小和重量都受到一定的局限,那么,怎么样才能使一定量体积的散热器拥有更大的散热面积呢?散热片形状的设计便起到了决定性的作用,让我们来看下面两张图的对比:

2、 散热片底部的抛光度 
散热片的底部,也就是与CPU直接接触的平面,这里是吸收CPU热量的第一道关,一般来说,好的散热器底部抛光度应该相当高,成一个镜面,使其能与CPU紧密接触,尽量减少中间的缝隙,虽然能够用导热硅脂来填充缝隙,但导热硅脂的热传导系数远远没有金属直接接触到的高,再看看下面两张图的对比:

3、 散热片的样式 
散热片的样式有多种多样,最普通的就是凹凸形的,但凹凸形的散热片最大的缺点就是:当利用风扇加速的风垂直吹下来的时候,基本上没有什么阻力就顺着散热片的凹槽流过了,直接造成了空气跟散热片接触的风压不够。另外,由于散热片基本上都是方形的,根据热量的分布及上升曲线,很容易造成散热片中心的温度高于四周的温度,那么怎么办呢?

现阶段比较流行的嵌铜式铝制涡轮散热器,它是利用带旋转角度的涡轮形散热片,
强制改变风扇吹下来风的流经位置,产生一定的“切风”效应以增大每片散热片上的风压,使空气能够更好地接触到散热片并带走上面的热量。右图中扇形的散热片,完全是根据热量的分布及上升曲线而量身定造的,使其每一片叶片上的温度基本保持相同,不至于造成普通方形散热器那样中间温度高四周温度低的局面。

四、制冷设备介绍 
 
1、 水冷散热器 & 油冷散热器         水冷和油冷统称为液冷,
有两种循环方式,一种是封闭式的管道循环,另一种是利用蓄水池的开放式循环。 液冷跟热管相同,也是利用中介质的流动来进行降温散热的,如果用水循环就叫水冷,用油循环就叫油冷,所用物质的不同直接导致散热效果的不同,水的热容没油大,但水的放热性能比油好,这与铝和铜的性能一样,水的吸热慢放热
快,油的吸热快放热慢,具体散热温度要看你所使用的水或油的温度了,如果在水箱中放置冰块还可以使温度继续下降,液冷散热器也是第一款能将CPU温度降低到室温以下的散热器,但需要注意的就是:如果所使用的循环介质的温度大大低于室温,那么在循环管道上将会出现空气冷凝水,一定要防止其流到主板上,否则就等着看青烟吧。

2、 半导体制冷片 
介绍到现在,真正重量级的散热系统出场了,确切地说应该叫制冷系统。半导体制冷片的原理是由两种不同的金属导线组成封闭的线路,通上电源之后,冷端的热量将被移到热端,导致冷端温度降低,热端温度升高,这叫做帕贴耳效应(Peltier effect),它能使CPU温度降到室温以下;并且可以通过使用闭环温控电路精确调整温度,最高可以精确到0.1度;可靠性强。使用固体器件致冷,不会对CPU有磨损,使用寿命长,工作时不产生噪音。一般来说,只有2cm×2cm大小的24V电压200W功率的半导体制冷片,只要做好发热面的散热工作,它能把CPU的温度降到-10°C左右,非常适合普通超频爱好者使用。而其缺点是降温后CPU周围会出现冷凝
水,有可能会造成主板短路;CPU要做好保暖措施,因为温度太低,CPU的脆性增大;安装比较困难,需要一定的电子知识。

关于散热方面的小知识 
 
1、 导热硅脂的涂抹 
导热硅脂实际上是用来填充散热片与CPU之间那些微小的缝隙用的,普通导热硅脂的热传导性仅是铝的一半而已,有些人在涂抹导热硅脂的时候,涂上很多,以使其成为了一层垫子,其散热效果反而比不涂的更差,正确的方法应该是:在散热器底部和CPU的表面都涂抹上导热硅脂后,再用很平的诸如刀片之类的工具将它们全部刮掉,然后再涂上再刮掉,反复至少5次以上,用以填平其表面的缝隙,然后再将散热器跟CPU紧紧的按在一起不要动了,这样才能达到最好的效果。 
在市场上能买到一种含银的导热硅脂,这种硅脂的导热性能比一般的要高出许多,毕竟含有了大量的银粉在里面,价格也比较昂贵! 
还有一种是导热硅胶,它同导热硅脂的区别就是导热硅胶带有很强的粘性,能粘牢很多没有卡口的散热器,除非你是真的没有办法了,否则不推荐使用,因为如果采用硅胶的话,粘上去基本上就无法取下来了,除非用很薄的刀片慢慢切割下来才行,费时费力。   
2、 高温对CPU的危害 
根据电子学理论,频率的提高(在稳定的前提下)对于半导体电子元件寿命不会有影响,但是频率变高后,却会产生更多的热量,电子元器件像CPU、内存等等,表面积都非常小,多产生的热量都聚集在这小小的地方,如散热不好将会产生极高的温度,从而引发“电子迁移”现象,而且现在CPU的主频越来越高,再加上还有我们这一伙DIY为了以获取更高的性能而加电压超频,如此一来,产生的热量会更多。 
      高热所导致的“电子迁移”现象会损坏半导体电子元器件。为了防止此现象的发生,我们
应该把CPU的表面温度控制在摄氏50°C以下,这样,CPU的内部温度就可以维持在80°C以下,“电子迁移”现象就不会发生。“电子迁移”现象并非立刻就损坏芯片,它对芯片的损坏是一个缓慢的过程,或多或少会降低CPU的寿命,假如你让你的CPU持续在非常高的温度下工作,那你的CPU可就......。 
      那么“电子迁移”到底是什么?“电子迁移”属于电子科学的领域,在上世纪60年代初
期才被广泛了解,是指电子的流动所导致的金属原子的迁移现象。在电流强度很高的导体上,最典型的就是集成电路内部的电路,电子的流动带给上面的金属原子一个动量,使得金属原子脱离金属表面四处流动,结果就导致金属导线表面上形成坑洞或土丘,造成永久的损害,这是一个缓慢的过程,一旦发生,情况会越来越严重,到最后就会造成整个电路的短路,整个集成电路就报销了。 
      “电子迁移”现象受许多因素影响,其中一个是电流的强度,电流强度越大,“电子迁移”
现象就越显著。纵观集成电路的发展史,我们可以发现,为了把集成电路(如CPU)的核心缩小,必须把线路做得更细更薄,那么,线路的电流强度就会变得很大,所以电子的流动所带给金属原子的动量就明显提高,金属原子就容易从表面脱离而四处流窜,形成坑洞或土丘。另外一个因素就是温度,高温有助于“电子迁移”的产生,我们已经知道超频会产生大量的热,使CPU温度升高,从而引发“电子迁移”现象,而为了超频,我们通常会提高电压,如此一来,产生的热会更多。然而我们必须明白的是,并不是热量直接伤害CPU,而是热量所导致的“电子迁移”现象在损坏CPU内部的芯片。很多人说的CPU超到烧掉,其实严格来说,应该是高温所导致的“电子迁移”现象所引发的结果。为了防止“电子迁移”现象的发生,这就是为什么我们要把CPU的表面温度维持在50°C以下的原因所在。

 

脚注信息
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