超能教室(319)：散热器运用铜材质更好照样运用铝材质更好？

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，得到最多的说法该当便是“铜铝结合在综合多方面成分之后拥有最佳的平衡”，大家可以大略理解为考虑到体积、重量、工艺、本钱、散热效能等多方面后的综合之选，乃至还有说法认为，铝的散热效能实在比铜更好，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，散热效能比纯铜构造会更高。
这些说法看上去都很有道理，但原形便是这样吗？

散热鳍片的材质对散热量并没有影响

实在热力学中的牛顿冷却公式Q=hAT已经给出了答案，牛顿冷却公式多用于对流换热的打算，而CPU散热的从实质上来说便是让CPU的热量通过散热器通报到空气中，散热器本身并不会产生热量，也不能消灭热量，也便是说散热器所须要承担的“散热量”便是CPU的“发热量”，或者称之为总热流量。
我们超能教室文章《超能教室(302)：热是什么？（下）》中已经给大家讲解过，用于驱动CPU事情的能量，终极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，而总热流量便是牛顿冷却公式中的Q；公式中的A则是散热器与空气的打仗面积，只要散热器构造和尺寸不变，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，只要对流办法和气体种类不变，这基本上也是一个定值。

因此对付对流换热来说，如果热量不变、空气参数不变、散热器构造设计不变，那么其T也该当是不变的。
而T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，散热器采取何种材质，对付总热流量也便是散热量是没有影响，散热器上的温度也不会改变。

然而在实际利用中，相同尺寸、相同构造但材质不同的散热器确实对CPU的事情温度尤其是满载温度有明显的影响，这彷佛与牛顿冷却公式展现出来的结果相抵牾。
实在这里面是很多同学都陷入的一个误解，那就把温度掌握与散热混为一谈了。
那为什么说温度掌握与散热并不是一回事呢？这就要从“CPU为什么须要散热器”提及了。

CPU为什么须要散热器？

PC上的CPU为什么须要散热器？实在这个同样可以用牛顿冷却公式Q=hAT来阐明。
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付T的限定（CPU事情温度上限），我们是可以快速打算CPU散热需求的，相称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，那自然是不须要加装额外的散热器，直接与空气对飘泊热即可；但如果CPU实际功耗会高于上限，那么为了提升总热流量，基本上便是只有两条道路，要么是提升自身的温度换取更高的T，要么便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。

如今CPU的顶盖实在便是一个小规模的散热器

我们不妨举例解释，与核心面积为200mm2的CPU，当其功耗为200W时，利用温度为25℃，对流换热系数为200W/m2K的空气进行直接散热，那么其事情温度会是多少呢？我们把相应的数值套入牛顿冷却公式，可以得出其事情温度。
然而以这个条件进行打算的话，我们会创造其事情温度将达到5000℃的水平，没有CPU可以承受这样的事情温度。

然而当我们为其加装散热器，使其与空气的打仗面积达到等效50000mm2的时候，经打算CPU的事情温度在空想状态下只有45℃，这个温度显然合理得多，这便是为什么现在PC平台上的CPU都须要加装散热器的缘故原由。

散热器材质与CPU温度的关系

不过到这里为止，我们仍旧未能阐明，问什么不同材质的散热器会给CPU带去不同事情温度。
实际上在上一个环节中，我们只是空想化地把CPU与散热器进行了一体化的打算。
算出来的45℃实在只是散热器与空气打仗面的温度，并不是真正意义上的CPU核心温度。
实际上CPU的全体散热过程，是核心热量经由散热器再传导至空气的过程，这里面实在有两个散热系统，一个是散热器与CPU组成，另一个则是散热器与空气组成，后者可以直策应用牛顿冷却公式进行快速打算，而前者则须要利用到热传导、热扩散等方面的公式子进行打算，这里涉及到了热力学与传热学的根本，也涉及到了散热器的材质问题。

传热学是一门建立在实验根本上的科学，在经由大量的实验后创造，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T=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照上述规则，因此我们可以为不同材质的物体引入一个系数，从而得出Qx=AT/L的公式，而这个系数便是在散热领域中常常提到的导热系数。

因此如果我们将CPU散热器视为一个规则的物体，其与CPU的打仗面温度为T1，与空气打仗面的温度为T2，那么我们不丢脸出，当Qx总热流量、A截面积、L长度、T2温度都坚持不变的时候，如果导热系数越高，那么T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)，而铝的导热系数为238W/(m)，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与散热器打仗面的温度更低。
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，同样可以创造当我们利用铜材质散热器时，CPU的核心温度会更低，只是在数值上比较利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打算，而且就算如此，想要直接打算出CPU的事情温度并比拟铜铝材质的散热器在全体散热系统中的影响，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=T/(L/A)=(T1-T2)/R。
此时我们将其与电路中的欧姆定律为难刁难比，欧姆定律I=(U1-U2)/Re，是不是创造两者竟如此相似呢？

实在热扩散的过程与电荷扩散的过程是相似的，它们都是在势差的浸染下发生的，而在扩散的过程在则会受到阻力，如果说电荷扩散的阻力便是电阻，那么热扩散的阻力自然便是热阻了。
按照我们此前改写的传热速率的办法，我们可以快速得出，在传导、对流、辐命中的热阻，分别因此下三个公式。

R传导= L / (A)

R对流= 1 /（hA）

R辐射= 1 / (hrA)

而有了热阻的观点后，我们对付传热速率的剖析和打算就简便多了，可以将传热过程转变为大略的串并联电路构造，而这个构造一样平常称之热路或者是热网络，例如CPU的散热过程就大略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，我们这里剖析的更多地是一种空想化的模型，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，此外全体散热系统中还存在硅脂等其它散热介质，以是CPU散热的热路实际上是要更繁芜一些的，该当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空想化的模型，有兴趣的同学可以自行作进一步的学习与理解。

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打仗热阻，那么全体热路中的热阻便是由顶盖、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利用传导传热的热阻打算公式，而空气则利用对流换热的热阻打算公式，T1为CPU温度，T2空气的温度，因此倘若我们只改换散热器的材质，例如从铝制散热器改换为铜制散热器，而不改变其尺寸构造，也便是体积不变，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打算得出：

T1 = T2+ Qx (R顶盖+ R散热器+ R空气）

因此散热器的热阻越高，CPU的事情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填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，实质上是测定其热阻的高低，而为了准确地展现出热阻，我们就须要掌握测试环境当中的变量，尤其主要的是Qx总热流量不能改变。
这便是我们认为，在利用实际平台进行散热测试时，只有锁定CPU功耗并担保室温相同的情形下，CPU的满载事情温度才能作为不同散热器性能，严格来说来是温度掌握性能比拟依据的缘故原由，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缘故原由。

导温系数：代表温度通报能力

根据上述的谈论，我们弗成贵出如下结论，那便是在CPU温度可变且总热流量不变的情形下，只要散热器构造、尺寸以及空气温度、对流办法也不发生改变，那么散热器的“散热效能”实在并不会随着材质的变革而变革，但是掌握CPU温度的能力则确实是与材质有莫大关系的，也便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、禁绝确的说法。

现在已经险些看不到纯铜散热器的踪影

那么为什么现在的散热器险些都不会采取纯铜材质了呢？首先从之前的打算我们可以看到，实在铜散热器与铝散热器在实际利用中带来的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须要利用纯铜构造，大部分情形下同样构造的铝制散热器同样可以知足需求。
其次便是两种材质的散热器，在实际利用中，从开始事情到进入温度稳定的韶光是相差无几的。
在传热学中，当全体系统的温度稳定下来不在改变时，一样平常来说是称之为稳态传热，相称于是我们常说的“散热效率最大化”，因此对付散热系统来说，越快进入到稳态传热，对付散热是越有利的。

然而导热系数表示的只是材质通报热量的能力，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通报热量的能力，那导温系数展示的便是不同材质通报温度的能力。

导温系数的公式为=/c，个中便是导热系数，是密度，c是比热容，c的乘积代表着单位体积的物体温度升高1℃所需的热量。
这些参数实在都是已知的数值，因此我们可以打算出铜和铝的导温系数，前者为115mm2/s，后者则为100mm2/s，也便是说同样构造的情形情形下，铜材质散热器达到温度稳定的速率只是比铝材质的快15%旁边，而前者导热系数是后者的1.7倍，也便是说铜材质的散热器在进入最佳散热效率的韶光上，实在并没有比铝材质的领先多少，以目前常见的CPU散热器而言，满打满算也便是1分钟旁边的差距，在实际利用中算是可以忽略的。

总结：决定散热器构造的，并不仅仅是散热能力

实在这次我们更多地只是谈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繁芜的过程，实际打算中须要考虑更多的参数，例如我们这次谈论中的散热器，是按照空想化的模型设计的，而实际设计的散热器构造上会更为繁芜，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打算处理的，这里面涉及的知识面相称广，并不是我们一篇超能教室可以完备解释的事情，我们也只能作空想话的讲解。

散热器的实际构造远比理论推算中的更为繁芜

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，实在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。
实在不然，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同等的。
如果以电路的办法进行阐明的话，那便是CPU及其散热系统的全体组成，实在就相称于是“变压恒流电路”，电流就相称于是总热流量，CPU与室温的温度差则相称于电压或者说电势差，热阻自然便是电路中的电阻了。
当热阻增大时，由于热量不变，那温差自然就须要增加，也便是说如果这个时候室温不降落的话，那就只能是芯片的温度上升了。

而想要降落芯片的温度，那在不改变芯片发热量、不改变室温的条件下，就只能够是降落散热系统的热阻了。
如果在这个条件下再加入限定，例如不改变散热器的尺寸和构造，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禁绝确的，散热器用铜还是用铝，乃至是用其它材质，更多地只是影响热源的温度，对付“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构造相同的情形下，铜材质比较铝材质，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取“铜铝结合”的办法，而不是温度掌握更为空想的纯铜构造呢？根据热扩散系数的公式，我们也可以得知铝材质比较铜材质在热扩散速率方面相差并不大，也便是说两者进入到温度平衡状态的韶光相差不大。
因此纯铜材质的散热器确实在CPU温度上有更好看的表现，但是本钱综合考量包括本钱、重量、加工难度等多个成分之后，其比较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上风，因此在综合多方面的成分之后，在散热器中占体历年夜头，紧张用于扩展散热面积的鳍片利用铝材质，与热源直接打仗的构造，如底座、热管等利用铜材质，这样的构培养形成了一个最佳平衡点，也就逐步蜕变为当今主流乃至高端散热器的基本构造了。