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散热器设计

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什么特性使散热器成为一个好的散热器?有很多因素需要考虑

高散热器表面积。热量是在散热器的表面进行传递的。因此,散热器应该设计成具有较大的表面积;可以通过使用大量的细散热片,或者通过增加散热器本身的大小来实现这个目标。

良好的空气动力学。散热器必须以一种方式设计,使得空气能够轻松快速地流过散热器,并到达所有散热片。特别是具有大量细散热片,散热片间距很小的散热器,可能不允许良好的气流。必须在高表面积(许多带有狭窄间隙的散热片)和良好的空气动力学之间找到平衡。这也取决于散热器所使用的风扇:一个强大的风扇可以将空气均匀地吹过一个带有大量细散热片的散热器,这些散热片之间只有很小的气流间隙——而对于无源散热器,应该使用较少的散热片,散热片之间留有更大的间隙。因此,简单地在设计用于无风扇使用的较大散热器上添加风扇并不一定能得到一个好的散热器。

散热器内部良好的热传递。如果热量不能到达散热片,那么大的散热片就毫无意义,因此散热器必须设计成允许热量从热源良好地传递到散热片。较厚的散热片具有更好的导热性;因此,必须在高表面积(许多薄散热片)和良好的热传递(较厚散热片)之间找到平衡。当然,所用材料对散热器内部的热传递有很大影响。有时,热管用于将热量从热源引导到远离热源的散热片部分。

接触面完美平整。与热源接触的散热器部分必须完全平整。平坦的接触面允许使用更薄的导热硅脂层,这将降低散热器和热源之间的热阻。

接触面平整度的优劣示例

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良好的安装方式。为了获得良好的热传递,散热器和热源之间的压力必须很高。散热器夹必须设计成提供强大的压力,同时又易于安装。带有螺丝/弹簧的散热器安装通常比普通夹具更好。热导胶或粘性胶带只应在无法用夹具或螺丝安装的情况下使用。测量散热器性能;热阻 θ 散热器性能以°C/W(或K/W——由于我们处理的是温差,因此摄氏度和开氏度之间没有区别)来衡量。我们称之为热阻(θ)。这些值的含义示例:如果一个 20W 的热负荷施加到散热器上,并且这导致热源的温度上升了 10°C,那么该散热器的额定值为 10°C/20W = 0.5°C/W。

θ 值仅对特定的功率负载和特定的温度范围有效。

用于 PC CPU 的标准散热器的热阻通常没有由散热器制造商指定,如果有,它也往往不准确或有意地为了营销目的而被扭曲。您不能通过比较不同制造商的 θ 规格来判断散热器性能。

然而,专门为工业应用(特别是大型无源散热器)制造散热器的制造商所指定的 θ 值通常更准确。

散热器测试并非易事;网络上无数与散热器相关的网站上的许多散热器评论都没有得到正确执行。

散热器材料

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散热器材料的导热系数对散热性能有重大影响。导热系数以 W/mK 为单位;较高的值表示更好的导热性。一般来说,电导率高的材料也具有较高的热导率。有关导热系数的更多信息,请参见维基百科文章。

合金的导热系数低于纯金属,但可能具有更好的机械或化学(腐蚀)性能。

以下材料通常用于散热器

铝。它的导热系数为 205W/mK,这很好(作为比较:钢的导热系数约为 50W/mK)。铝散热器的生产成本低廉;它们可以使用挤压工艺制造。由于铝的柔软性,它也可以快速铣削;压铸甚至冷锻也是可能的(有关生产方法的更多信息,请参见本指南的第 2 部分)。铝也很轻(因此,铝散热器在移动时会对安装施加较少的压力)。

铜的导热系数约为铝的两倍——接近 400W/mK。这使其成为散热器的绝佳材料;但它的缺点包括重量大、价格高、生产方法的选择较少。铜散热器可以铣削、压铸或由粘合在一起的铜板制成;挤压是不可能的。

为了结合铝和铜的优点,散热器可以用铝和铜粘合在一起制造。在这种情况下,与热源接触的区域由铜制成,这有助于将热量传递到散热器的外部。第一个带有嵌入式铜片的 PC CPU 散热器是 Alpha P7125(用于第一代插槽 A 速龙 CPU)。请记住,铜嵌入式仅在与铝部分紧密粘合以实现良好的热传递时才有用。这并非总是如此,尤其是对于廉价的散热器而言。如果铜和铝之间的热传递不良,铜嵌入式可能弊大于利。

Alpha P7125 底板

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铜板有助于将热量散布到整个底板。

AVC 散热器,带铜芯

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铜芯有助于热量传递到散热器的上部。

Thermalright 散热器(原型),中心有一个大型热管 热管提供了比一块实心铜更好的热传递。

银的导热系数甚至高于铜,但只高出约 10%。这并不能证明散热器生产中高得多的价格是合理的——然而,银粉是高端导热硅脂中的常见成分。

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