风冷散热器选择的传热学基础

时间:2018-5-12 分享到:

风冷散热器选择的传热学基础
1.散热器材料的选择
材料(研究铜和铝)的选择主要是导热和散热,导热公式如下:
Q=A•λ•△t /δ
Q—热量
A—导热面积
λ—导热系数
△t—温度差
δ—导热厚度
加快导热途径主要是改变 λ,△t,δ 三个值:
①加大 λ 导热系数,表现为选择导热系数大的材料
②加大散热器底座 CPU 接触面和散热器鳍片温差(实际上应该是尽量降低鳍片温度,选择强
劲风扇)
③降低导热厚度,表现为散热器底座厚度不应该太厚
常见材料导热系数(W/m*K)
银 429
纯铜 401
金 317
纯铝 237
铁 80
铅 34.8
1070 铝合金 226
1050 铝合金 209
6063 铝合金 201
散热从热容方面考虑
纯铜比热容:385J/kg*K 密度:8.9g/cm3
纯铝比热容:903 J/kg*K 密度:2.7g/cm3
铜的导热系数是铝的 1.69 倍,虽然纯铜比热容小于纯铝比热容,但其密度大于纯铝,相同体
积的纯铜所能容纳的热量大于纯铝,所以在其他条件相同的前提下,纯铜散热器理应获得比纯
铝更好的散热效果。
不过铜的质地是有讲究的,很多标榜“纯铜散热器”其实并非是真正的 100%的铜。在铜的列表
中,含铜量超过 99%的被称为无酸素铜,下一个档次的铜为含铜量为 85%以下的丹铜。目前
市场上大多数的纯铜散热器的含铜量都在介于两者之间。而一些劣质纯铜散热器的含铜量甚至
连 85%都不到,虽然成本很低,但大大影响了散热性。但用铜作为材质也有明显的缺点,成
本高,加工难,散热器质量太大都阻碍了全铜散热片的应用。红铜的硬度不如铝合金
AL6063,某些机械加工(如剖沟等)性能不如铝;铜的熔点比铝高很多,不利于挤压成形等等问
题。
结论:结合铜铝特点采用纯铜底座和铝鳍片是散热器最好的选择,加工工艺影响传热效率,
整体切割或挤压成型好于焊接和插片
2.散热器材料确定后的散热
这里主要研究风冷散热,风冷散热主要是强制对流换热,公式如下:
Q=F•α•△t
Q—热量
F—换热面积
α—换热系数
△t—温度差(散热器鳍片和流经散热器空气的温度差)
强制对流换热紊流情况下的换热系数为:
α=K•v0.8 / d0.2
K—空气特性系数(一定温度下为常数)
v—空气流速
d—当量直径(假设散热器是无数风道组成)
则 Q=F•△t •K•v0.8 / d0.2
加强换热途径如下:
① F 增大,在散热器体积不变的情况下,尽量加大散热面积,表现为在对流速不减低太多的
情况下尽量增加鳍片数量,市场表现为鳍片太少的散热器散热性不佳。还有过大体积的散热器
并不能有效提高散热,因为这种散热器边缘的△t 值趋近于零
② △t 加大,散热器底座的辐射型纯铜片或“塞铜”工艺或热管可加快热量由底座向鳍片的传
递,增加△t 值(风扇能力相同的情况下),另外,尽量加强机箱通风,降低机箱内空气温
度,这相当重要
③ v 加大,加快散热器内空气流速,选择强劲的散热器风扇,合理的转数,转速越高,流速
越快,但转数过高,流经散热器鳍片的阻力加大太多,风速并不能增加很多,反而噪音加大。
同样改变风扇叶片角度也可提高风压,但角度太大,噪音加大。要加快流速,应该合理设计散
热器鳍片,减少散热器内风道阻力,市场表现为流线型鳍片好于直线形。
④ 合理降低 d,当量直径减低表现为增加散热器鳍片密度( 这样每一风道当量直径降
低),但要注意该值过小,将大幅增加风道阻力,降低流速。
⑤ 好的散热器使 CPU 起始温度降低大家都知道,但在 CPU 满载时温度升高不多才是好散热
器的关键所在,同样道理可以考察机箱的通风状况(CPU 和显卡满载时机箱内温度升高不多)

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