【正文】 物都會(huì)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?yàn)槭枪P者最喜歡的一種散熱方式 ,也是當(dāng)今能參透這門(mén)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(méi)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(chēng)為 熱數(shù)字訊號(hào) (Thermal Digital Signal)的波的形式達(dá)成熱交換 .既然是波 ,那就會(huì)有波長(zhǎng) ,有頻率 ,而所謂波的能量 ,就是頻率乘上一個(gè)叫做普郎特的常數(shù) (Planck39。流場(chǎng)形式 。名門(mén)俠女都曾栽在這塊看似山青湖靜 ,實(shí)則風(fēng)陰濤涌的領(lǐng)域 (包括筆者都曾差點(diǎn)兒翻不了身 ).一則是從此開(kāi)始 .您才真正進(jìn)入 散熱 的大堂 .一則是這 里又多了一門(mén)至深至幻的學(xué)問(wèn)叫做流體力學(xué)(Fluid Dynamic).我想試問(wèn)各位一生中有多少次機(jī)會(huì)看到風(fēng)扇是怎么吸空氣 。ΔL 則是兩端的距離 . 讓我們來(lái)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(guò)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?？?。若是純鋁 ,就是 240。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)。 散熱、吸熱，還是絕熱重要？ 在這兒之前 ,有一個(gè)很重要的問(wèn)題要問(wèn)各位 ,您知道什么是 熱 嗎 ?在您選擇一項(xiàng)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(wàn)別當(dāng)了冤大頭 !熱 (Heat)是能量嗎 ? 嚴(yán)格來(lái)說(shuō)它不算是能量 ,應(yīng)該說(shuō)是一種傳遞能量的形式 .就好象作功一樣 .微觀來(lái)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(lái) .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(shuō) !).從電子 (量子力學(xué) )學(xué)的角度而言 ,當(dāng)電子束滑過(guò)電子信道時(shí) ,會(huì)因?yàn)榕c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(chē)煞車(chē)的效果是一樣的 ).我們統(tǒng)稱(chēng)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(chē)流量 ,下場(chǎng)是道路越來(lái)越窄 ,而車(chē)子越來(lái)越多 ,不踩煞車(chē) ,能不出車(chē)禍嗎 ?當(dāng)然熱量越來(lái)越高 .信不信 ,冷颼颼的冬天 ,關(guān)在房里打計(jì)算機(jī) ,你會(huì)愛(ài)死它 ,又有得殺時(shí)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(shuō)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(lái)說(shuō)整個(gè)大自然界能量傳遞的方式被我們聰明的老祖先 (請(qǐng)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(lái)我用最淺顯易懂的方式分別介紹這門(mén)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(shí) ,能量傳遞的最基本形式 (這里所說(shuō)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(chēng)為流體 )本身因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)不 似固體緊密 .我們又有另外一個(gè)專(zhuān)有名詞來(lái)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(duì)以后您專(zhuān)業(yè)素養(yǎng)的養(yǎng)成 ,抑或是將來(lái)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(mén)的第一招式 ,千萬(wàn)別放棄您當(dāng)專(zhuān)業(yè)消費(fèi)者的權(quán)益了 !).另外 ,為了避免您一開(kāi)始走火入魔 ,請(qǐng)容我先將所有的單位 (Unit)都拿掉 . Q = K*A*ΔT/ΔL 其中 Q為熱量 。請(qǐng)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 。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 。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(gè)觀念 ,現(xiàn)在讓我們把焦點(diǎn)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(huì)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?yàn)樗臒釋?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(mài)個(gè)關(guān)子 ). 嘿 ,嘿 ,聰明的讀者 ,您一定也發(fā)現(xiàn)了一個(gè)問(wèn)題 ,散熱片的底部厚度好象越來(lái)越 厚耶 !如果照我說(shuō)的話 ,那不是傳熱效果越差了嗎 ?如果您會(huì)問(wèn)這個(gè)問(wèn)題 ?先恭喜您 !您已經(jīng)有本事報(bào)名英雄大會(huì)了 .這牽涉到另外一門(mén)有趣的課題 .因篇幅關(guān)系 ,這一次我并不打算放進(jìn)來(lái) .請(qǐng)諸位海涵 ! 2.)熱對(duì)流 (Convection) 流動(dòng)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(dòng)的方式將之轉(zhuǎn)換折成貌和神離的兩招 ,分別是 A.)自然對(duì)流 (Natural Convection): 流體運(yùn)動(dòng)是來(lái)自于溫度差 .溫度高的流體密度較低 ,較 輕會(huì)向上運(yùn)動(dòng) .相反的 ,溫度低的流體則向下運(yùn)動(dòng) .所以是流體受熱之后產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)力 .(這里各位要牢記一件事 ,只要溫差 ,沿著重力場(chǎng)方向的流體就會(huì)開(kāi)始運(yùn)動(dòng) ,帶走熱量 !) B.)強(qiáng)制對(duì)流 (Force Convection) : 顧名思義 ,流體受外在的強(qiáng)制驅(qū)動(dòng)力如風(fēng)扇驅(qū)動(dòng)而產(chǎn)生運(yùn)動(dòng) .驅(qū)動(dòng)力往那兒吹 ,流體就往那兒跑 ,與重力場(chǎng)無(wú)關(guān) .不是很了解對(duì)吧 !百聞不如一見(jiàn) ,脫掉你寶貝計(jì)算機(jī)的灰白色夾克 .您應(yīng)該會(huì)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(duì)流將熱量帶走 ,表示熱量不高 (一般來(lái)說(shuō)介于 3瓦 ~8瓦 ).至于 CPU則因?yàn)闊崃枯^高 (尤其是桌上型計(jì)算機(jī) ,至少都在 30 瓦以上 ),自然對(duì)流的散熱量不足以帶走廢熱 ,因此得利用到風(fēng)扇驅(qū)動(dòng) .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(duì)流及強(qiáng)制對(duì)流在散熱片設(shè)計(jì)上的考量差異性 ,我會(huì)在往后的篇幅中以專(zhuān) 題的方式撰寫(xiě) .讓各位不但對(duì)電子散熱有所了解 ,更知道整條電子鏈的運(yùn)作模式 . 看看它的公式吧 !為什么說(shuō)它最博大精深是有原因的 .到了這兒 ,請(qǐng)千萬(wàn)小心 ,步步都是富貴險(xiǎn)中求 .殊不知多少江湖英豪 。又是怎么把空氣吹出來(lái)的 ?我們換個(gè)角度想 ,要讓流體產(chǎn)生運(yùn)動(dòng) ,一個(gè)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(kāi)始發(fā)出會(huì)心的一笑 ,還不了解的看官也別擔(dān)心 , 這運(yùn)功煉氣可是半點(diǎn)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(duì)流所帶走的熱量 . H 為熱對(duì)流系數(shù)值 (Hest Transfer Coefficient). 這里是筆者及數(shù)字高人討論過(guò)后 ,一致公認(rèn)散熱領(lǐng)域內(nèi)最虛無(wú)飄渺的一個(gè)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(shuō)穿了還真有點(diǎn)兒好笑 .這是老祖先想破了頭還是一無(wú)所知的情況下 ,直接寫(xiě)下的腳注 .不信嗎 ? 敢問(wèn)諸位高手 ,只聽(tīng)過(guò) H 是隨著流體狀態(tài) 。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(gè) H與速度的幾次方成正比關(guān)系 ),從沒(méi)看過(guò)哪一個(gè)方程式是可以解出 H值的 .(道道地地 ,不折不扣的 經(jīng)驗(yàn)值 !!) A 代表熱對(duì)流發(fā)生時(shí)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(lái)我會(huì)舉一些活生生的實(shí)例給各位看 ,到時(shí)候可別合不攏嘴 .散熱片的變化無(wú)窮 ,主要在于它的鰭片設(shè)計(jì) ,一個(gè)設(shè)計(jì)良好的鰭片 .會(huì)內(nèi)外兼顧 ,不但跟空氣的接觸表面積大 ,而且大 的很實(shí)在 .否則花那種冤望錢(qián) ,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(diǎn) ,有時(shí)設(shè)計(jì)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(xiǎn)了 .散熱片的設(shè)計(jì) ,一個(gè)不小心就會(huì)跌入這個(gè)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(diǎn)關(guān)系 ,我留一點(diǎn)兒空間先不說(shuō)穿 ,讓各位也想一想 . 為什么我說(shuō)到了這兒才算真正開(kāi)始處理散熱問(wèn)題 .因?yàn)椴徽撟匀粚?duì)流或強(qiáng)制對(duì)流 ,靠流體把熱帶走是現(xiàn)下最經(jīng)濟(jì)實(shí)惠的方式 .殊不知地 球大氣運(yùn)行時(shí)的妙用無(wú)窮 ,我們換一個(gè)角度想 ,能量守恒定律 ,或許您也能參詳一二 .周?chē)M是用不完的空氣 ,不拿它來(lái)出出氣 ,怎么說(shuō)也 是暴斂天物 ,您說(shuō)是嗎 ? 下一次我們?cè)僬劻硪粋€(gè)能量傳遞的方式 (它也是 散熱 的一員 ,只是平時(shí)韜光養(yǎng)晦 ,深藏不露 ,但發(fā)起威來(lái) ,套句廣告詞 ~凡人無(wú)法檔 ).而且角色變化多端 ,非常有個(gè)性 ,也是筆者最喜歡的一個(gè) ,請(qǐng)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(lái)介紹的 ,可又是散熱的一名角兒 .只是它的名氣沒(méi) 熱對(duì)流 來(lái)的大 ,一般說(shuō)來(lái)在主動(dòng)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(shí)際生活中扮演的角色可豐富了 .您加熱時(shí)絕對(duì)有它 ,散熱時(shí)它也有份 ,當(dāng)要絕熱時(shí) ,更不能沒(méi)有它 ,更夸張的是 ,少了它 ,地球的生態(tài)環(huán)境瞬間就會(huì)失衡 ,看下去吧 ,向您鄭重介紹 ?? 3.)熱輻射 (Radiation) 若說(shuō)上一招 熱對(duì)流 是謂博大精深 ,那這一招可就真算得上是 清風(fēng)拂山崗 。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(jiàn)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(yáng)下站不住五分鐘了吧 !其實(shí)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?cè)倩氐街黝} ,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(lái)決定熱交換量的多寡 .我們統(tǒng)稱(chēng)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(diǎn)兒像熱傳導(dǎo)系數(shù) (Conductivity) 都屬于材料特性 .(其實(shí)吸收性 (率 )與放射性 (率 )是一樣的 ,我稍后解釋 .嚴(yán)格來(lái)說(shuō) ,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(lái)的值和為 1,像是玻璃 ,它的能量穿透性很強(qiáng) ,所以相對(duì)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交換量 .我在這兒強(qiáng)調(diào)是熱交換量而不是帶走的熱量 .因?yàn)楣奖旧頎可娴絻蓚€(gè)表面在進(jìn)行輻射熱交換 ,當(dāng)假設(shè)其中一個(gè)表面不存在時(shí) ,則存在的表面便假設(shè)是與某一有限遠(yuǎn)的固定大氣溫度進(jìn)行熱交換 . e 物體表面的熱輻射系數(shù) (Emissivity),其值介于 0~1 之間 ,是屬于物體的表面材料特性 ,這一部分當(dāng)物質(zhì)為金屬且表面 拋光如鏡時(shí) ,熱輻射系數(shù)只有約 ~ 而已 ,而當(dāng)金屬表面一但作處理后 (如表面陽(yáng)極處理成各種顏色亦或噴漆 ,則熱輻射系數(shù)值立刻提升至 以上 ,如下圖所示當(dāng)散熱片表面處理成綠色后 ,熱輻射系數(shù)值立刻由 提升至 . 處理前 處理后