电脑散热知识讲座

[原创] 作者 不抬杠

    随着电脑的配置提高，电脑的总体功耗也在不断的攀升（当然未来的发展趋势朝向低耗能方向发展，但目前还做不到）。这就对电脑整体的散热提出了更高的要求。

    往往一些人注重电脑零部件的局部散热，如：加大CPU，GPU，芯片组的散热等，而忽视了整体散热问题。

    下面我从理论知识概念和实际应用中来讲解电脑散热问题：

    一、理论知识概念

    根据波义耳(Robert Boyle)定律：在一定温度下气体压力(P)与容积(V)乘积等于常数的原理。理想气体状态方程是描述理想气体处于平衡态时，压力、体积、摩尔数、温度间关系的状态方程。它建立在波义耳定律、查理定律、盖-吕萨克定律、阿伏加德罗定律、道尔顿分压定律等经验定律上。

    处于平衡态的气体，其状态由压强P，体积V，和温度T刻划，表达这几个量之间的关系的方程称之为气体的状态方程。不同的气体有不同的状态方程。这些方程通常很复杂。但在压强很小，温度趋于常态的情况下，各种气体的行为都趋于理想气体。理想气体的状态方程具有非常简单的形式。

    数学关系式如下：

    PV = NRT 或 PV = NKT

    式中：

    P表理想气体的压力，单位为大气压力(atm）；
    V表理想气体的体积，单位为升（L）；
    N表理想气体的摩尔数，单位为摩尔（mol.）；
    R为理想气体常数，约为0.082 atm-L/mol-K ；
    K为波尔兹曼常数，K=1.38066 x 10-23 J/K = 8.617385 x 10-5 eV/K ；
    T表理想气体的温度，单位为绝对温度（K）。

    从流体力学原理可知，机箱风扇的流量Q与其转速N的变化成正比：

    Qi = (Ni/No) Qo ；

    风扇的风压P与其转速变化的平方成正比：

    Pi = (Ni/No)²  Po ；

    而风扇的轴功率W等于流量与压力的乘积，故风扇电机的轴功率与其转速的三次方成正比：

    Wi = (Ni/No)³ Wo ；

    根据上述原理可知：改变风扇电机的转速就可改变空气体的流量，也就是说通过改变电脑机箱空气体的对流，也就改变了整体温度。

    二、热阻

    首先我来谈一下晶体管的基础知识，晶体管器件是由半导体材料锗或硅的PN或NP电结构成（目前锗材料已被逐步淘汰），下面主要介绍一下硅材料。

    硅材料：硅具有优良的半导体电学性质。禁带宽度适中，为1.21电子伏。载流子迁移率较高，电子迁移率为1350平方厘米/伏 .秒，空穴迁移率为480平方厘米/伏 .秒。本征电阻率在室温(300K)下高达2.3×10的5次方 欧 .厘米，掺杂后电阻率可控制在10的4次方～10的负4次方 欧 .厘米的宽广范围内，能满足制造各种器件的需要。硅单晶的非平衡少数载流子寿命较长，在几十微秒至1毫秒之间。热导率较大，化学性质稳定，又易于形成稳定的热氧化膜。在平面型硅器件制造中可以用氧化膜实现PN结表面钝化和保护，还可以形成金属氧化物半导体结构，制造MOS型场效应晶体管和集成电路。上述性质使PN结具有良好特性，使硅器件具有耐高压，反向漏电流小，效率高，使用寿命长，可靠性好，热传导好等优点。

    在电脑中我们经常看到MOS器件，那么什么是MOS器件呢？

    MOS的全文是：Metal Oxide Semiconductor 金属氧化物半导体。用氧化膜硅材料制作的场效应晶体管，就叫做MOS型场效应晶体管，既：金属氧化物场效应晶体管。

    在冬季，当我们把手放在一块木板和放在一块铁板上时，就会感觉到铁板比木板凉，铁板越大，接触的越紧，越感到凉。这说明铁板比木板的散热能力好，而且散热能力与面积，体积，几何形状，以及接触面的紧密程度都有关系。

    在电脑工作时，芯片晶体管PN结的损耗（任何集成电路芯片都是由N个晶体管组成）产生了温升Ti，它是通过管芯与外壳之间的热阻Rri，无散热片时元件外壳和周围环境之间的热阻Rrb，元件与散热片之间的热阻Rrc和散热片与周围环境之间的热阻Rrf这四种渠道将热量传走，使温差能够符合元件正常运行的要求。

    由于热的传导以流过Rri，Rrc和Rrf三个热阻为主，因此总热阻Rrz可以用下式来表示：Rrz＝Rri+Rrc+Rrf

    于是当芯片的允许温升和功耗都已经确定了以后，即可定出需要的总热阻Rrz，再从下式中决定散热器的尺寸，这就是我要介绍热阻的目的和它的应用。

    热阻Rr是从芯片的管芯经外壳，接触面，散热片到周围空气的总热阻Rrz，因此可有下式计算得知。

    Ti-Ta=Pc（Rti+Rrc+Rrf）=Pc Rrz
    Rrz=（Ti-Ta）/Pc

    式中：Ti芯片允许的结温，Ta芯片环境周围的空气温度，Pc芯片的热源功率损耗

  三、热导系数

  热导系数（又被称作“导热系数”或“导热率”）是反映材料热性能的重要物理量。热传导是热交换的三种（热传导，对流和辐射）基本形式之一，是工程热物理，材料科学，固态物理，能源，环保等各个研究领域的课题。材料的导热机理在很大程度上取决于它的微观结构，热量的传递依靠原子，分子围绕平衡位置的振动以及自由电子的迁移。在导电金属中电子流起支配作用，在绝缘体和大部分半导体中则以晶格振动起主导作用。

    1882年法国科学家傅里叶（J.Fourier）建立了热传导理论，目前各种测量导热系数的方法都是建立在傅里叶热传导定律的基础上。当物体内部有温度梯度存在时，就有热量从高温处传递到低温处，这种现象臂称为热传导。傅里叶指出，在dt时间内通过ds面积的热量dQ，正比于物体内的温度梯度，其比例系数时导热系数，既：

              dQ/dt＝-λ .dt/dx .ds

    式中dQ/dt为传热速率，dt/dx是与面积ds相垂直的方向上的温度梯度，“-”号表示热量由高温区域传向低温区域，λ是热导系数，表示物体导热能力的大小。在式中λ的单位是W.m负1次方.K负1次方。

    对于各向异性材料，各个方向的导热系数是不同的（常用张量来表示）。

    如果大家对上述的公式看不懂或不太明白（上述属于大学高等物理课程），下面我用通俗的语言表述热导系数。

    热导系数又称导热系数或导热率。表征物质热传导性能的物理量。设在物体内部垂直于导热方向取两个相距1米，面积为1平方米的平行面，而这两个平面的温度相差1度，则在1秒内从一个平面传导到另一平面的热量就规定为该物质的热导率。其单位为：瓦/（米.摄氏度）,原工程单位制中则为：千卡/（米.小时.摄氏度），热导率的倒数称为导热热阻。其它条件不变时，热导率愈大导热热阻就愈小，则导热量就愈大；反之则导热量就愈小。

    通过上述公式和定义可知：芯片散热方式是靠与芯片接触的基板（铜材或铝材）面积与机箱内的温差通过箱内的空气流散热的，这种散热量与基板面积成正比。当机箱内温度达到一定时，也就失去了散热能力。要想把芯片散发出的热量排走，在常规下只能用强风。所以无风扇静音热管的散热方式，是不可取的。

    四、实际应用讲解

    以Tt VA8000为例：

    配置：

    CPU AMD皓龙146 （OC 2.8G）
    内存 胜创DDR400 1G*2 （OC DDR466）
    主板 华硕 A8N32-SLI  Deluxe
    显卡 双敏 7800GTX 256M （OC 525*1420）
    硬盘 希捷 320G
    电源 Tt 680W

    图1 3D运行CPU-Z截图
    图2 空气体对流图
    图3 机箱内部容积与风扇示意图
    图4 运行温度测试图
    图5 精确度检测图
    图6 温度感应探头（感温元件）

图1 3D运行CPU-Z截图

图2 空气体对流图

图3 机箱内部容积与风扇示意图

图4 运行温度测试图
    通过图3我们可以看到，温度感应探头（感温元件）我放在了相对温度较高的机箱上部（热空气上升的物理位置）。

    运行具有高功耗之称的3DMark 03 。图4是运行到03最后的一个带有音效的场面，我们看到机箱内的温度与室温相等（同是28摄氏度）。这是由于机箱内部容积大（530×220×560mm），侧板全部盖好后，风扇的排风量F2+F3+F4+F5之和，大于前面板的F1，使箱内形成负压，大量冷空气从机箱的前面板缝隙及机箱的低部进入，形成强烈的空气对流，且噪音并不大，因为主风扇的转速只有1500转。

    为了对 A2259 的温度测量精度进行验证，我进行了如下检测：

    该硬件产品提供了4组温度感应探头（感温元件）及测量电路，通过按键控制转换，可以方便的测量显示每一组探头所感应的温度。首先我来对温度测量的精确度进行检测。在这次检测中，我使用了测量控制用精密电接点温度计，精密红外测温仪和高精度温度表。经检测，4组探头的温度测量显示的精确度误差均在±0.2度范围内，即：测量精度误差小于1% 。见图5

图5 精确度检测图

图6 温度感应探头（感温元件）

    有人可能会问什么是NTC呢？下面我来讲解一下。

    NTC是 Negative Temperature Coefficient 的缩写，意思是负的温度系数，泛指负温度系数很大的半导体材料或元器件。通常我们提到的NTC是指负温度系数热敏电阻，简称NTC热敏电阻。NTC热敏电阻是一种典型具有温度敏感性的半导体器件，它的电阻值随着温度的升高呈阶跃性的减小。

    注：为通俗易懂，NTC的材质，制作工艺，温度变化曲线及测温电路的原理与架构，在这里就不讲了。



[ 本帖最后由 不抬杠 于 2008-3-22 17:33 编辑 ]

机箱内的通风一般都是尽量的做到前面板进冷空气机箱尾部全排热空气，做到空气对流即可

当然，风扇越多风力越大就好-----噪音也得小

抬杠兄，对散热有独到的见解，hoho，我是没mod福气了，过程麻烦啊，看来很多DIY网友有多学习的地方了

总之就是要带走100多平方豪米的产生的热量，热量在每种金属中传导有个速度，
假设每平方毫米的导热速度是10000j*m/s,两端温差越大肯定传的速度越快，散热片接触面积越大，肯定散热越快，温差两端距离越短肯定越好，所以最好的扇子应该是接触面要做得够大，导热片要越矮越好，不过估计这点距离差相对于导热速度来讲还是没啥影响，所以主要还是散热面积要越大越好，我感觉吧，做成头发那样应该接触面比现在的大很多。
这是我的一些看法，不知道有错没？请指教

水冷如何啊？？就不用去搞什么风道了啊。。。。。

很好，学习一下，但是觉得用不上啊。

不错，学习了

学习了学习了。。。

其实 前面一个机箱风扇 后面一个机箱风扇  + 电源的排风 足矣  装那么多都是浮云，  做个风洞试验就知道了，

风洞。。。。

如果不盖侧板，裸奔，那要不要前面机箱风扇都没区别了。后排气风扇还是要的。

杠杠太牛了
纯理论和数学模型指导实践
学习学习

不错。。

不实用啊～操作性不强

呵呵，很强大的东西。。。

从理论到实际 很强大了
MS某位“风洞”更强大

...好长啊...收下慢慢看- -

楼主理论联系实际啊 强啊
不会某整机厂商散热工程师巴

学习下，不过我的风道也做得很好，跟楼主差不多
ohoh

学习学习了

学习了，谢谢

理论结合实际啊，不过看不太懂

好帖！先收藏！再慢慢研究！！！！！！！

裸奔＋空调直接对着吹

机箱后面的风扇向内吹,CPU的温度好像低一些!(感觉,如果想后(外)吹+上电源风扇向上的抽风对CPU附近的空气有抽吸作用,导致CPU风扇周围空气相对稀薄,于是风力减小温度就高了)

我的电源是上吸后排的静音电源.

不知道个位大大有没有我这样的测试结果呢?

如果要做相关的定量计算的话
要确定一个系统的TDP作为散热系统目标排放的功率
Tj结温度不太好获得，Intel和AMD目前的做法是芯片内某处的测温二极管报告温度给外面。现在晶体管密度较高，核心热点的温度瞬时变化率可以非常快。Intel和AMD规定一个安全范围“顶盖温度”即Tcase，只要Tcase不越过安全上限，可以认为是安全，当然我们希望它越低越好。
（测试Tcase需要在封装顶盖上开槽放入热电偶等探头，这也就是为什么普通网友很难准确测量）

Tcase和进风口温度（环境温度）Ta的差就是温差。以线性的方式简化考虑的话，需要考虑两点
1、热源散发的总热量（用TDP粗略描述）需要被对应流量的空气带走，用TDP和空气比热可以得到需要的最小空气总流量。
2、稳定状态下温差等于功率乘以散热器的热阻。这里的热阻因为我们用Tcase代替了Tj进行考虑，所以衡量的是从顶盖外面到散热片再到空气的热阻，也就是衡量散热器本身的性能。当确定了应用环境的环境温度Ta、目标Tcase、TDP以后，就可以确定目标的散热器热阻。这就是为什么国外一些网站会用测量热阻值作为衡量散热器性能的重要指标，也是为什么TDP只有65W的Conroe在发布初期会使用和Prescott、Presler类似的塞铜散热器（考虑不同核心和不同步进的Tcase的变化，可以看看Intel给出的几个版本的物理与散热设计手册）。

系统因为散热片形状、压力和流量分布等因素会对风产生阻碍因素，称为风阻。有了风阻就使得风扇需要产生一定的风压来保证空气向出风方向流动，一般用风扇工作时的压力差P来描述。一个确定的扇叶在确定转速下，有效流量�