散热器材质

2022-11-23 11:19
如今的PC中常见的CPU散热器,无论是主流级还是高端产品,几乎都采用了这样的结构:与CPU/GPU表面接触的结构采用铜材质,也就是我们常说的铜制底座,而热管鳍片或者是水冷排鳍片则采用铝材质。所谓的“铜铝结合”说的就是这样的结构,而采用铜材质鳍片或者铜材质水冷排的散热器,也就是我们俗称的“纯铜散热器”在PC领域几乎可以说是昙花一现,只在早些年头曾经露面。
那为什么“铜铝结合”能成为PC散热的主流设计呢?如果你到网上去搜索的话,得到最多的说法应该就是“铜铝结合在综合多方面因素之后拥有最佳的平衡”,大家可以简单理解为考虑到体积、重量、工艺、成本、散热效能等多方面后的综合之选,甚至还有说法认为,铝的散热效能其实比铜更好,铜只是传热更快,因此铜铝结合是将两者的优点结合在一起,散热效能比纯铜结构会更高。这些说法看上去都很有道理,但真相就是这样吗?

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散热鳍片的材质对散热量并没有影响
其实热力学中的牛顿冷却公式Q=hAΔT已经给出了答案,牛顿冷却公式多用于对流换热的计算,而CPU散热的从本质上来说就是让CPU的热量通过散热器传递到空气中,散热器本身并不会产生热量,也不能消灭热量,也就是说散热器所需要承担的“散热量”就是CPU的“发热量”,或者称之为总热流量。我们超能课堂文章《超能课堂(302):热是什么?(下)》中已经给大家讲解过,用于驱动CPU工作的能量,最终基本上都会转变为热量,因此只要CPU功耗不变,总热流量就不会改变,而总热流量就是牛顿冷却公式中的Q;公式中的A则是散热器与空气的接触面积,只要散热器结构和尺寸不变,换热面积就不会改变,与散热器的材质是没有任何关系的;h则是流体的换热系数,只要对流方式和气体种类不变,这基本上也是一个定值。
因此对于对流换热来说,如果热量不变、空气参数不变、散热器结构设计不变,那么其ΔT也应该是不变的。而ΔT则是空气与散热鳍片上的温差,空气温度不变,就意味着鳍片温度就不变,与鳍片材质同样没有任何关系。换而言之,散热器采用何种材质,对于总热流量也就是散热量是没有影响,散热器上的温度也不会改变。
然而在实际使用中,相同尺寸、相同结构但材质不同的散热器确实对CPU的工作温度尤其是满载温度有明显的影响,这似乎与牛顿冷却公式展现出来的结果相矛盾。其实这里面是很多同学都陷入的一个误解,那就把温度控制与散热混为一谈了。那为什么说温度控制与散热并不是一回事呢?这就要从“CPU为什么需要散热器”说起了。
CPU为什么需要散热器?
PC上的CPU为什么需要散热器?其实这个同样可以用牛顿冷却公式Q=hAΔT来解释。倘若CPU直接让核心与空气进行对流换热,那么以核心面积以及对于ΔT的限制(CPU工作温度上限),我们是可以快速计算CPU散热需求的,相当于传热速率或者说总热流量的上限。倘若此时的CPU发热量不超过这个上限,那自然是不需要加装额外的散热器,直接与空气对流散热即可;但如果CPU实际功耗会高于上限,那么为了提升总热流量,基本上就是只有两条道路,要么是提升自身的温度换取更高的ΔT,要么就是增大自身的换热面积A,两种方法都可以让总热流量Q上升至符合CPU实际功耗的水平。
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如今CPU的顶盖其实就是一个小规模的散热器
我们不妨举例说明,与核心面积为200mm2的CPU,当其功耗为200W时,使用温度为25℃,对流换热系数为200W/m2·K的空气进行直接散热,那么其工作温度会是多少呢?我们把相应的数值套入牛顿冷却公式,可以得出其工作温度。然而以这个条件进行计算的话,我们会发现其工作温度将达到5000℃的水平,没有CPU可以承受这样的工作温度。
然而当我们为其加装散热器,使其与空气的接触面积达到等效50000mm2的时候,经计算CPU的工作温度在理想状态下只有45℃,这个温度显然合理得多,这就是为什么现在PC平台上的CPU都需要加装散热器的原因。
散热器材质与CPU温度的关系
不过到这里为止,我们仍然未能解释,问什么不同材质的散热器会给CPU带去不同工作温度。实际上在上一个环节中,我们只是理想化地把CPU与散热器进行了一体化的计算。算出来的45℃其实只是散热器与空气接触面的温度,并不是真正意义上的CPU核心温度。实际上CPU的整个散热过程,是核心热量经过散热器再传导至空气的过程,这里面其实有两个散热系统,一个是散热器与CPU组成,另一个则是散热器与空气组成,后者可以直接使用牛顿冷却公式进行快速计算,而前者则需要使用到热传导、热扩散等方面的公式子进行计算,这里涉及到了热力学与传热学的基础,也涉及到了散热器的材质问题。
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传热学是一门建立在实验基础上的科学,在经过大量的实验后发现,如果物体是一个规则的形状,例如圆柱形,那么物体的传热速率大小与两端温度差ΔT=T1-T2成正比,与物体截面积A呈正比,与物体长度L成反比,而且不同材质的物体都会遵循上述规则,因此我们可以为不同材质的物体引入一个系数λ,从而得出Qx=λAΔT/L的公式,而这个系数λ就是在散热领域中经常提到的导热系数。
因此如果我们将CPU散热器视为一个规则的物体,其与CPU的接触面温度为T1,与空气接触面的温度为T2,那么我们不难看出,当Qx总热流量、A截面积、L长度、T2温度都维持不变的时候,如果λ导热系数越高,那么ΔT就会越低,T1温度也会越低,反之则越高。铜的导热系数为401W/(m·Λ),而铝的导热系数为238W/(m·Λ),前者是后者的1.7倍,相应地温差在数值上也就相差了1.7℃,铜材质散热器上,CPU与散热器接触面的温度更低。同理我们也可以通过这个数值进一步推算出CPU的核心温度,同样可以发现当我们使用铜材质散热器时,CPU的核心温度会更低,只是在数值上相比使用铝材质是同样没有太大的差异。
什么是热阻?
当然这也使一个理论化的计算,而且就算如此,想要直接计算出CPU的工作温度并对比铜铝材质的散热器在整个散热系统中的影响,也不是一件方便的事情。因此我们不妨将传热速率的公式进行改写,Qx=ΔT/(L/λA)=(T1-T2)/R。此时我们将其与电路中的欧姆定律作对比,欧姆定律I=(U1-U2)/Re,是不是发现两者竟如此相似呢?
其实热扩散的过程与电荷扩散的过程是相似的,它们都是在势差的作用下发生的,而在扩散的过程在则会受到阻力,如果说电荷扩散的阻力就是电阻,那么热扩散的阻力自然就是热阻了。按照我们此前改写的传热速率的方式,我们可以快速得出,在传导、对流、辐射中的热阻,分别是以下三个公式。
R传导 = L / (λ·A)
R对流 = 1 /(h·A)
R辐射 = 1 / (hr·A)
而有了热阻的概念后,我们对于传热速率的分析和计算就简便多了,可以将传热过程转变为简单的串并联电路结构,而这个结构一般称之热路或者是热网络,例如CPU的散热过程就简单地可以理解成一个类似与串联电路的热路。
当然正如我们此前讲到,我们这里分析的更多地是一种理想化的模型,现实中的CPU的热量不仅仅会通过散热器传导至空气中,同时还会通过CPU基板、底座、主板PCB等多种路径进入到空气中,此外整个散热系统中还存在硅脂等其它散热介质,所以CPU散热的热路实际上是要更复杂一些的,应该是一个串联与并联共存的电路。而我们这里是为了便于理解而做了理想化的模型,有兴趣的同学可以自行作进一步的学习与了解。
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通过上述的热路我们可以看到,CPU的热量源自与核心,经由顶盖传导至散热器,然后散热器与空气进行对流换热。如果说不考虑核心内部热阻以及核心与顶盖、顶盖与散热器之间的接触热阻,那么整个热路中的热阻就是由顶盖、散热器以及空气三者的热阻组成,从而得出下方这个式子。
Qx = (T1-T2) / (R顶盖 + R散热器 + R空气)
在这个式子中,顶盖与散热器的热阻可以使用传导传热的热阻计算公式,而空气则使用对流换热的热阻计算公式,T1为CPU温度,T2空气的温度,因此倘若我们只更换散热器的材质,例如从铝制散热器更换为铜制散热器,而不改变其尺寸结构,也就是体积不变,那么散热器所用材质的导热系数越高,那么其表现出来的热阻就会越低。由于顶盖与空气的热阻也是不变的,因此CPU核心温度可以按照下述公式计算得出:
T1 = T2 + Qx · (R顶盖 + R散热器 + R空气)
因此散热器的热阻越高,CPU的工作温度会处于更高的状态,这样其与空气之间才有足够的温差去弥补更高热阻带来的影响。因此我们对散热器进行测试的时候,本质上是测定其热阻的高低,而为了准确地展现出热阻,我们就需要控制测试环境当中的变量,尤其重要的是Qx总热流量不能改变。这就是我们认为,在使用实际平台进行散热测试时,只有锁定CPU功耗并保证室温相同的情况下,CPU的满载工作温度才能作为不同散热器性能,严格来说来是温度控制性能对比依据的原因,也是我们在改用固定功率的发热平台测试散热器,并依据温差来评价散热器的原因。
导温系数:代表温度传递能力
根据上述的讨论,我们不难得出如下结论,那就是在CPU温度可变且总热流量不变的情况下,只要散热器结构、尺寸以及空气温度、对流方式也不发生改变,那么散热器的“散热效能”其实并不会随着材质的变化而变化,但是控制CPU温度的能力则确实是与材质有莫大关系的,也就是说铜材质的散热器在CPU温度的表现上都不会比同样条件下的铝材质更差,所谓的“铝材质更有利于散热”只是一种不严谨、不正确的说法。
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现在已经几乎看不到纯铜散热器的踪影
那么为什么现在的散热器几乎都不会采用纯铜材质了呢?首先从之前的计算我们可以看到,其实铜散热器与铝散热器在实际使用中带来的CPU温度差距并不是很大,基本上只有追求极致散热效果的才需要使用纯铜结构,大部分情况下同样结构的铝制散热器同样可以满足需求。其次就是两种材质的散热器,在实际使用中,从开始工作到进入温度稳定的时间是相差无几的。在传热学中,当整个系统的温度稳定下来不在改变时,一般来说是称之为稳态传热,相当于是我们常说的“散热效率最大化”,因此对于散热系统来说,越快进入到稳态传热,对于散热是越有利的。
然而导热系数表示的只是材质传递热量的能力,而温度则与材质的热容有关系,然而热容则与材质的比热容以及质量有关系。然而在散热系统中,散热器更多地是同体积比较而不是同重量比较,因此在这里我们可以引入一个系数,称之为导温系数,又叫做热扩散系数。如果说导热系数展示的不同材质传递热量的能力,那导温系数展示的就是不同材质传递温度的能力。
导温系数的公式为α=λ/ρc,其中λ就是导热系数,ρ是密度,c是比热容,ρc的乘积代表着单位体积的物体温度升高1℃所需的热量。这些参数其实都是已知的数值,因此我们可以计算出铜和铝的导温系数,前者为115mm2/s,后者则为100mm2/s,也就是说同样结构的情况情况下,铜材质散热器达到温度稳定的速度只是比铝材质的快15%左右,而前者导热系数是后者的1.7倍,也就是说铜材质的散热器在进入最佳散热效率的时间上,其实并没有比铝材质的领先多少,以目前常见的CPU散热器而言,满打满算也就是1分钟左右的差距,在实际使用中算是可以忽略的。
总结:决定散热器结构的,并不仅仅是散热能力
其实这次我们更多地只是讨论热力学与传热学中的稳态导热,实际上PC的散热会是一个更为复杂的过程,实际计算中需要考虑更多的参数,例如我们此次讨论中的散热器,是按照理想化的模型设计的,而实际设计的散热器结构上会更为复杂,当中热阻的组成也是有更多项目的,就连空气的对流换热系数,实际上也不是一个固定值,而是在不同的位置上要做相应计算处理的,这里面涉及的知识面相当广,并不是我们一篇超能课堂可以完全说明的事情,我们也只能作理想话的讲解。
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散热器的实际结构远比理论推算中的更为复杂
回归到CPU散热器到底用铜材质还是用铝材质更好的问题上,其实很多时候同学会下意识地认为,CPU满载时温度更高,发热量就会更大。其实不然,事实上只要CPU的功耗不变,那么当其温度稳定之后,其“发热量”或者说总热流量实际上是基本一致的。如果以电路的方式进行解释的话,那就是CPU及其散热系统的整个组成,其实就相当于是“变压恒流电路”,电流就相当于是总热流量,CPU与室温的温度差则相当于电压或者说电势差,热阻自然就是电路中的电阻了。当热阻增大时,由于热量不变,那温差自然就需要增加,也就是说如果这个时候室温不降低的话,那就只能是芯片的温度上升了。
而想要降低芯片的温度,那在不改变芯片发热量、不改变室温的前提下,就只能够是降低散热系统的热阻了。如果在这个前提下再加入限制,例如不改变散热器的尺寸和结构,那就只能换用导热系数更高的材质,例如从铝材质换成铜材质。这样整套系统的发热量与散热量不变,但芯片的温度确实可以降下来。因此“铝比铜散热更好”的说法在严格意义上来说是不正确的,散热器用铜还是用铝,甚至是用其它材质,更多地只是影响热源的温度,对于“散热量”来说是没有改变的。当然如果你只是看CPU的温度是不是足够低,那么在散热器尺寸和结构相同的情况下,铜材质相比铝材质,确实可以让芯片的温度保持在更低的状态。
那为什么如今PC上的多数散热器都会采用“铜铝结合”的方式,而不是温度控制更为理想的纯铜结构呢?根据热扩散系数的公式,我们也可以得知铝材质相比铜材质在热扩散速率方面相差并不大,也就是说两者进入到温度平衡状态的时间相差不大。因此纯铜材质的散热器确实在CPU温度上有更好看的表现,但是成本综合考量包括成本、重量、加工难度等多个因素之后,其相比铝材质散热器就有点投入与收益不成正比的意思了。
而纯铝散热器则确实在温度表现上不占优势,因此在综合多方面的因素之后,在散热器中占体积大头,主要用于扩展散热面积的鳍片使用铝材质,与热源直接接触的结构,如底座、热管等使用铜材质,这样的结构就形成了一个最佳平衡点,也就逐步演化为当今主流乃至高端散热器的基本结构了。
来源:超能网




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