從傳熱學的角度分析:CPU是如何散熱的?

2021-01-10 七月冬雪講航空

CPU是如何散熱的?

傳熱學在各行各業都有著極為廣泛的應用,它的主要問題是如何強化換熱、削弱換熱和保持溫度。航空、航天、醫療、機械、計算機中都有著它的身影。在各行各業的換熱的技術中,電子產品的散熱方法越來越受到人們的關注。如今,各種電子產品越做越小,但是產熱量卻沒有跟著一起減小。各種控制器在沒有冷卻的情況下,溫度動則就是九十、一百多度。在這種條件下電腦的中央處理器很容易因為溫度過高而損壞。而且隨著溫度升高,CPU的計算能力也大打折扣。因此如何對電腦或者手機這樣的電子產品冷卻已知困擾著學者們。解決這一問題就需要應用傳熱學的知識了。

傳熱學中,熱量傳遞的方式有三種,分別是熱傳導、熱對流、熱輻射。在計算機CPU和顯卡的散熱中我們暫時不考慮熱輻射。CPU的散熱方式主要是熱傳導和熱對流。熱傳導是物體各部分之間不發生相對位移時,依靠分子、原子及自由電子等微觀粒子的熱運動而產生的熱能傳遞稱為熱傳導(heat conduction),簡稱導熱。如果我們手拿一根鐵棒伸到火爐之中,我們會感到燙手,這就是熱傳導。還是這個問題,如果我們換一根木棒,那麼即使木棒被點燃了,我們也不會感覺道熱,這是為什麼呢?這是因為鐵和木棒的一個物性參數不同,它就是熱導率。熱導率是反應物質這種導熱能力大小的物理量,熱導率越大,傳熱能力越大。金屬中銀和銅的導熱能力比較強。散熱量的公式可以寫成

這意味這溫差越大,換熱面積絕大,導熱係數越大,散熱量就越大。我們從下面這張圖片可以看到

CPU和顯卡通過一根銅管與風扇相連,選用銅的原因就是它的熱導率高,而銀又太貴。想必給電腦清過灰的讀者都知道我們需要在cpu與銅管連接的地方圖上一層導熱矽膠。導熱矽膠的作用是什麼呢?

在傳熱學中有一種概念叫做熱阻,他是仿照電子技術中的電子做出的定義。熱阻越大,那麼相同溫度差下的換熱量就越低。兩個換熱面之間的材料越多,熱阻越大。那麼可能有的讀者會問,在CPU與銅管之間塗上導熱矽膠,熱柱豈不是更大了麼?按道理來所是這樣的,但是CPU與銅管端部的銅板之間並不是緊密結合在一起的。因為兩個表面的粗糙度不可能完全一樣,這樣就在接合面之間存在了空氣。空氣的存在會明顯增加換熱熱阻,這種由於兩個表面沒有緊密結合而產生的熱阻叫做接觸熱阻。導熱矽膠的作用就是填充兩個表面之間的空隙,減小接觸熱阻。所以在塗抹矽膠時一定要均勻覆蓋整個表面,但不是越厚越好。

CPU的換熱還有一個關鍵部件就是風扇。仔細觀察我們可以看到在風扇處有許多銅片與銅管相連,這樣做的總用就是增大換熱面積。而風扇的作用就是強化對流換熱。

對流換熱是當流體流過固體表面時發生熱量交換的現象。與熱導率類似,對流換熱有一個叫做對流換熱係數的物理量代表了相同面積和溫差下換熱的能力。對流換熱可以分為自然對流與強制對流。自然對流是依靠冷熱流體密度不同而形成流動來換熱的,例如暖氣片的散熱。強制對流是依靠外部作用來強迫流體流動換熱的,最常見的就是風扇。CPU的風扇也是同樣的道理。如今好一些的電腦會用水冷,原因就是液體的對流換熱係數要比氣體高的多。當然還有用熱管換熱的,它利用了相變對流換熱,這種方式就更為先進了。

各位讀者如果想保證自己電腦的性能,就要注意電腦的散熱,最好不要讓菸灰落入電腦之中,不用的時候避免灰塵進入,保持電腦的清潔。當然小編知道,僅僅是菸灰這一條,很多讀者難以做到!儘管如此,也一定要保證電腦的良好散熱,不然CPU溫度升高性能慧明顯的降低!

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