【正文】 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(chǎn)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(dāng)了冤大頭 !熱 (Heat)是能量嗎 ? 嚴(yán)格來說它不算是能量 ,應(yīng)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(kuò)散效應(yīng) ),必須將能量轉(zhuǎn)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(chǎn)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(xué) )學(xué)的角度而言 ,當(dāng)電子束滑過電子信道時 ,會因為與導(dǎo)線(trace)劇烈摩擦而產(chǎn)生熱 ,它形成一股阻力 ,阻止電子流到達(dá)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(dāng) CPU 的速度越高 ,表示它的I/O(Input/Output)數(shù)越高 ,線路布局越復(fù)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(dāng)然熱量越來越高 .信不信 ,冷颼颼的冬天 ,關(guān)在房里打計算機(jī) ,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(xué) Thermal Dynamic是古典力學(xué)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(dǎo) (Conduction) 物質(zhì)本身或當(dāng)物質(zhì)與物質(zhì)接觸時 ,能量傳遞的最基本形式 (這里所說的物質(zhì)包括氣體 ,液體 ,與固體 ).當(dāng)然氣體與液體 (我們統(tǒng)稱為流體 )本身因為結(jié)構(gòu)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(kuò)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(shù) ,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(dāng)專業(yè)消費者的權(quán)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(dǎo)所能帶走的熱量 . K為材料的熱傳導(dǎo)系數(shù)值 (Conductivity)。請記住 ,它代表材料的熱傳導(dǎo)特性 ,就像是出生證明一樣 .若 是純銅 ,就是 。若是純鋁 ,就是 240。而我們都是人 ,所以我們的皮膚是 ,記住 ! 數(shù)值越高 ,代表傳熱越好 .(詳細(xì)的材料表我將于日后擇篇幅再補(bǔ)述 !) A代表傳熱的面積 (或是兩物體的接觸面積 .) Δ T 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(biāo) ,更加深您的印象 ! 熱傳導(dǎo)后溫度分布 銅材的導(dǎo)熱系數(shù)高 ,經(jīng)過熱傳導(dǎo)后 ,溫度在銅材中分布就非常均勻 ,相反的 ,木材的導(dǎo)熱系數(shù)偏低 ,于是相同的傳導(dǎo)距離 ,木材的溫度分布就明顯的不均勻 (溫度顏色衰減的非?？?。表示 熱量傳導(dǎo)性不良 .) 從上述的第一招式我們可以知道 .熱傳導(dǎo)的熱傳量 .跟傳導(dǎo)系數(shù) ,接觸面積成正比關(guān)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(zhuǎn)到散熱片身上 ,當(dāng)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(dāng)散熱片底板 .就是因為它的熱導(dǎo)系數(shù)比鋁多出將進(jìn)一倍 (當(dāng)然還有其它技術(shù)原因 ,容我先賣個關(guān)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(jīng)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(guān)系 ,這一次我并不打算放進(jìn)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(qū)動的方式將之轉(zhuǎn)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(chǎn)生驅(qū)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(qiáng)制對流 (Force Convection) : 顧名思義 ,流體受外在的強(qiáng)制驅(qū)動力如風(fēng)扇驅(qū)動而產(chǎn)生運動 .驅(qū)動力往那兒吹 ,流體就往那兒跑 ,與重力場無關(guān) .不是很了解對吧 !百聞不如一見 ,脫掉你寶貝計算機(jī)的灰白色夾克 .您應(yīng)該會看到如下圖所示的精采內(nèi)臟 . 如此清楚了嗎 ?芯片組散熱片不加風(fēng)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(jī) ,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(fēng)扇驅(qū)動 .至于更詳細(xì)的各種芯片封 裝 (package)制程 ,規(guī)格資料與散熱量的關(guān)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(qiáng)制對流在散熱片設(shè)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(fēng)陰濤涌的領(lǐng)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(jìn)入 散熱 的大堂 .一則是這 里又多了一門至深至幻的學(xué)問叫做流體力學(xué)(Fluid Dynamic).我想試問各位一生中有多少次機(jī)會看到風(fēng)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(chǎn)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(dān)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(xí)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(rèn)散熱領(lǐng)域內(nèi)最虛無飄渺的一個參數(shù)了 .它既不是材質(zhì)特性 ,更不是什么散熱標(biāo)準(zhǔn) .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(guān)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(jīng)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(qiáng)調(diào) .表面積大只是好看 ,有效表面積也大那才夠?qū)嵲?.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(shè)計 ,一個設(shè)計良好的鰭片 .會內(nèi)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(dāng)然金屬量產(chǎn)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(shè)計者不得不作一些妥協(xié)與讓步 . Δ T 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(shè)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(guān)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(qiáng)制對流 ,靠流體把熱帶走是現(xiàn)下最經(jīng)濟(jì)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(dāng)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(fēng)拂山崗 。明月照大江 的太極絕學(xué)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(fēng) ,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(dǎo)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(xué)時就曾經(jīng)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(guān)系 .讓我們先把焦點轉(zhuǎn)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(yuǎn)矣 ,它們還真有血源關(guān)系呢 ,這一部份因為是筆者最喜歡的一種散熱方式 ,也是當(dāng)今能參透這門絕學(xué)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(zhì) (空氣 )的情況下 ,不需要靠接觸 ,就能夠達(dá)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(dá)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) (Planck39。s Constant ),既然跟頻率有關(guān) ,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(zhì)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(zhì) ,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(dǎo)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(yán)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(qiáng) ,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