散热技术

散热技术：散热形状设计

所谓散热片，将热量散失掉是其最根本的目的，因此之前的吸热、导热设计都是为散热的目的而服务的。

不论是被动散热的空冷散热片，还是需要风扇强制导流辅助的风冷散热片，鳍片的职责都是通过与周围环境（空气）的接触将由吸热底传导来的热量散失出去。为了履行此职责，要求鳍片满足四项要求，每项要求又对应着鳍片的一项参数：

1.可迅速吸收热量，即吸热底与鳍片间的热传导，对应与吸热底的连接面积（连接比例）。

2.可大范围扩散热量，即能够将吸收的热量传导到可与环境进行热交换的每个角落，对应鳍片内部的热传导能力（横截面积、形状）。

3.散热面积大，即提供更多与环境进行热交换的场所，对应鳍片的表面积（数量）。

4.空气容积大，风阻小，即鳍片间为空气留有足够的空间，可通过足够的空气，对应鳍片的间距。

要想鳍片获得优秀的效能，此四项要求必须同时满足，但对应的参数又同时受到散热片总体积、重量以及彼此的制约。在一体成形鳍片中，连接比例、内部导热能力与表面积得益于鳍片的横截面积与数量的增加，但难免影响到鳍片间距与重量；若限定体积，鳍片的横截面积和数量又与间距相矛盾；若限定重量，鳍片的横截面积与数量互相抵触；若鳍片形状、数量不变，增加间距则对体积提出了要求，又会降低连接比例……

就算采用后续结合方式，甚至辅以热管等特殊手段，鳍片的设计中仍然难免需要处理两个甚至几个互相矛盾的因素之间的平衡问题。正是这种令人混乱的复杂制约关系，为设计者们提供了发挥的空间，才有今天这多种多样的鳍片设计。下面，就为大家介绍一下几种常见的鳍片形式。 鳍片形状：

鳍片的设计不论多么“诡异”，基本都可归入两大类之中——片状与柱状，每一类又可根据单体形状与排列方式细分出多种不同子类，当真可称“花样百出”。

片状：

片状鳍片是非常典型的形状设计。利用片状“宽广”的侧面与“单薄”的厚度，可以在相对狭小的空间内获得更大的表面积。

平行：

平行排列是片状鳍片非常典型的排列方式，是“经典中的经典”。平行排列的鳍片，片间距离均匀，空间连贯，利于空气通过。平行排列的片状鳍片最大的优势在于各鳍片形状相同

或相似，排列整齐、规律，成形与结合工序相对简单，适合于工业化大规模生产。 风槽式：

鳍片与吸热底面垂直相连，空气由顶部进入，侧面流出（吹风），或由侧面流入，顶部抽出（吸风）。空气由鳍片与吸热底形成的槽道中通过，且其间流动方向会发生变化，故而将之称为“风槽式”。目前市场上绝大多数的散热片均系采用此种设计。

价格由高端到低端，材质由纯铜到铝合金，工艺由精密切削到铝挤压，都可见到风槽式鳍片设计的产品，可以说是“最经典”的设计。

风槽式鳍片设计的目标同样是增大散热面积，除了增大吸热底面积外，最重要的手段就是提高“瘦长比”——即鳍片高度与鳍片底部厚度的比值。在不增大吸热底面积，不改变连接比例的情况下，瘦长比的提高可以增加鳍片的数量或高度，都可以加大鳍片总表面积。当然，考虑到鳍片内部热量传导的要求，瘦长比也不应无限制的提高，当其超过一定限度时，鳍片的末端已经不能计入有效散热面积之内了。这个限度的确定需要考虑到鳍片材质的热传导能力，例如铜质鳍片就可以比铝合金鳍片采用更高的瘦长比。

根据所采取的不同制造工艺，有的可以把鳍片间距做到很小，鳍片做到很薄而大幅增加鳍片数量，将散热片体积控制在较满意的范围内；有的则受到工艺限制，鳍片数量无法大幅增加，只能尽量增加鳍片高度，但散热片体积也随之增大。如果考虑到对散热器工作噪音与风阻的影响，顾虑到风扇的性能，鳍片的数量与高度都不应过分增加，同样需要寻求一个性能最佳的平衡点。

此种风槽式经典设计已被沿用多年，而且目前及之后的一段时间内也是市场产品的绝对主流，但它却存在着一项设计者们一直寻求解决的弊端：

不论是吹风也好，吸风也好，在散热片的中心区域都会形成一个空气流动较少的高压区（吹风）或低压区（吸风），如果再加上轴流风扇轴心风力盲区的影响，此区域的范围有时可以达到散热片底面积的20％以上，倘若又遇到风扇性能不济，甚至可能整个鳍片底部区域的空气流动都非常微弱。此处的空气受两侧气流的影响，运动非常混乱，虽然所形成的紊流可以与鳍片进行更多的热交换，但由于流动不畅，热量无法排出散热片外；而且，此处往往是发热设备（例如CPU核心）所处位置，是散热片热量最为集中的部分，如不加以处理，会对性能造成相当不利的影响。虽然可以采用更大风压、更小甚至无盲区的风扇，尽量减小高压区（或低压区）的范围，但难免造成耗电的增加与噪音的增大，影响散热器整体的易用性。

针对这一问题，一些厂家采取了改进型的设计——增加吸热底中心位置的厚度，在空气沿鳍片流动的方向上形成坡道，既能够形成类似风道的导流作用，消除高压区（或低压区），又能够增加吸热底的热容量，并利用增大的连接面积将热量更加均匀的扩散到鳍片上。

ThermalRight的SLK系列就是此种设计的代表，其优秀的性能已经充分证明了设计的合理性。此外也有利用热管将热量由吸热底中心直接传导到鳍片末端的设计：

同是出自ThermalRight的SP系列，曾经是一代风冷王者，当今热管散热器的盛行也不可否认有它的功劳在。

当然也可以在原本基础上进行简单改变而取得不错的效果，例如这种在平行鳍片的侧面开出几道风槽，令中心的高压（低压）区可以与外部空气连通，气流走向更接近于下文中采用柱状鳍片的情况，代价则是减少了表面积。实际产品都是在表面积与空气流动间进行权衡后，才确定侧面风槽数量、宽度与排列位置的。一般而言，对应发热设备的中心位置都会开出一条或对称的两条风槽，以达到中心“卸压”的目的。

作为最经典的一种鳍片设计，采用的产品也是目前市场上的绝对主流，涵盖各种档次与品牌，用户应改对判断其设计水平与特点的几大因素有所了解：

1.瘦长比——既然是设计中的诉求点，实际选购时自然也应关注，通常情况下越高越好，但不应超过一定限度。

2.连接比例——涉及到具体制造工艺间的差别，此处不便详细说明，但连接比例过小，即鳍片稀疏而单薄的产品无法提供较大的表面积，性能通常难以令人满意。

3.特殊设计——针对上文提到的弊端，如果实际产品能够采用一些特殊手段解决，在性能上必然能够取得较大的提升。

4.风扇搭配——根据鳍片的高度与密度，会对所搭配风扇提出一定要求：鳍片高度高、密度大，则需要风扇具有较大的风压；鳍片数量多、厚度薄，则会产生较多的风噪，不利于满足静音需求。 风道式：

鳍片与吸热底可以采用多种方式连接，包括一体成形、直接连接，或者通过热管等手段间接连接；相对位置可以平行、垂直，或者置于与吸热底有相当距离的位置；共同点为，空气由一侧进入平行排列的鳍片所构成的风道，流过鳍片间的空隙，并与之进行热交换，再由另一侧排出。鳍片的另外两侧闭合，或采用导流罩限制，空气流动过程中无法从其它途径流出，只能沿鳍片方向由一端流至另一端，故而将之称为“风道式”。目前采用此种设计的产品主要是侧进风散热器、分离式热管散热器（即利用热管传热，鳍片与吸热底不直接结合）、及液冷、压缩机等的独立散热排。相对而言，采用风道式设计的散热片定位较高。

采用大管径热管的Akust Pipe Tower，热管+风道式鳍片+侧吹风扇的典型产品。

风道式设计通常采用非常细薄的铜或铝合金片层叠焊接而成，片间距离可以非常小，因此可在小空间内安装大量的鳍片，获得巨大的表面积。虽然鳍片数量众多，间距较小，但平行排列，且空气通过时无需改变方向，整体风阻很小，可轻松获得较大的风量。

此种设计由于鳍片细薄，内部导热能力不足，往往需要多个热量“输入点”才能发挥大表面积、大风量的优势，因此目前的产品中风道式鳍片设计主要配合热管或弯折的液体导管（液冷、压缩机等）使用。能否有效利用巨大的表面积与风量正是风道式鳍片设计的重点所在，也是用户选购时应该注意的问题。如果不能有效的将热量传导到鳍片的每个部分，那么众多大面积鳍片的末端部分就只是“摆设”，对散热效果起不到值得称道的帮助。

放射状：

鳍片与中心位置面积相对较小的吸热底连接，呈放射状向四周延伸，正是因此而得名。空气由顶部流入，直接通过伸展而出的鳍片，或者在中心位置转为横向流动通过四周环绕的鳍片。空气在流动过程中虽然可能发生方向改变，但转向角度并不大，且没有明显的阻碍，鳍片间的空隙也相对均匀、平顺，整体风阻较小。采用放射状鳍片设计的散热片并不少见，从早年风行一时，Pentium III玩家标配的“涡轮”，到现今正当红的Socket-T原配“太阳花”散热器，以及“花儿”一样的Zalman CNPS7000系列，都当归为此类。

此外，还有一种将平行排列与放射状相结合的设计，被我们的一位编辑戏称为“鱼刺型”，细细看来，倒也确实贴切。

放射状鳍片设计通常而言具有一个较为明显的特点——具有小而厚实的吸热底。所有散热片都会汇聚至此，可以保证一定的储热能力，又可令热量均匀的传导到四周的鳍片上，有效利用鳍片的表面积。

根据空气流动则可分为纵向与横向两类——纵向气流方式的代表即“太阳花”与“鱼刺”，所采用轴流风扇的轴心部分正对吸热底位置，扇叶所带动气流直接通过四周的鳍片，直至遇到PCB板等阻碍才改变方向；横向气流方式的代表即早期的“涡轮”与Zalman CNPS7000系列等，置于鳍片中间的轴流风扇将气流推向靠近吸热底相对密集的鳍片，一部分气流受到阻碍而转为横向流动，经过周围鳍片的直立部分。

放射状鳍片最大的优势在于对气流的干扰、限制很少，空气从各个角度沿鳍片的伸展方向流出，产生的风噪很小。因此，放射状鳍片设计更加适合制造效能不俗的静音型散热器。CoolerMaster的F71、Zalman 的CNPS7000系列都是其中典范。“太阳花”更是在驾驭Prescott的同时将噪音控制在不错的水平。 环形：

在内置风扇的放射状鳍片设计之上稍加变通，将鳍片改为套在风扇外侧的环形片状，并通过热管与吸热底相连，就得到了这种独特的环形片状鳍片设计。目前采用此种设计的只有一线板卡大厂技嘉在“闲暇之余”推出的3D-Cooler一款。

3D-Cooler将风扇由传统的轴流风扇换为了出风更加平顺的涡轮扇叶。没有导流罩的涡轮扇叶将顶部进入的空气依靠离心效应抛甩出去，经过环绕其周围的环形片状鳍片。由于鳍片特殊的排列方式，无法与吸热底直接连接，为此，它采用了2根热管将热量由底部传导到鳍片的四角，令其均匀分布，有效利用众多鳍片的较大表面积进行热交换。

柱状：

柱状鳍片是与片状并驾齐驱的另外一种典型鳍片形状设计。柱状鳍片与片状相比，在表面积上毫不示弱，而且可具有更大的截面积，内部导热能力更强，更有效的发挥大表面积的优势。

柱状鳍片相对片状最大的劣势在于鳍片单体成形复杂，造成加工成本过高，质量控制困难，不利于大量生产。

柱状鳍片设计较通常的片状鳍片可以获得更好的性能，这除了得益于更大的表面积与更好的内部导热能力外，更主要是来自柱状鳍片周围空气流动方式的优势。

在柱状鳍片周围，空气的流动不同于片状鳍片，受到鳍片的阻隔，只能在鳍片间沿一定方向流动，而是在密集的柱状鳍片间流动，会在每个鳍片周围形成一个小型的“旋风”，令鳍片的整个侧表面都成为有效散热表面积。

既然要利用柱状鳍片周围形成的小“旋风”增强散热效果，柱体的侧面就不应过于“粗糙”，产生过大风阻，阻碍“旋风”的形成。那么是否需要采用圆形的柱状鳍片呢？没有必要，同时也受工艺限制不易实现。根据众所周知的几何常识——相同面积的多边形，圆形的周长是最短的，对应柱状鳍片的情况，即圆柱鳍片的侧面积最小。而且为了获得圆形表面需要比多边形花费更多的工序与时间，圆形物体的固定难度又要比方形等平边多边形大得多，都是制约产能的不利因素。柱状鳍片散热器的柱体形状关系到性能、工艺等多方面的因素，因此