散热、吸热，还是绝热重要?之热辐射(Radiation)【转贴】
散热、吸热，还是绝热重要?之热辐射(Radiation)接下来介绍的,可又是散热的一名角儿.只是它的名气没"热对流"来的大,一般说来在主动式散热片(Active Cooler)的散热比例上占的份量也有限,所以大伙儿常忽略它.可是它在实际生活中扮演的角色可丰富了.您加热时绝对有它,散热时它也有份,当要绝热时,更不能没有它,更夸张的是,少了它,地球的生态环境瞬间就会失衡,看下去吧,向您郑重介绍……3.)热辐射(Radiation) 若说上一招"热对流"是谓博大精深,那这一招可就真算得上是"清风拂山岗;明月照大江"的太极绝学了.待我解释完,您就知道我开头所述句句真言,绝无诳语.别看它又清风,又明月的.真发起来,那可是招招重手,决不留情.(您以为炎炎夏日太阳的热情是靠热传导或热对流招呼到您身上的吗?再举个更生活的例子,没用过也看过灯管式电暖气吧?再告诉您一个小秘密,笔者求学时就曾经利用180瓦的工地用卤素大灯两个煮三人份的火锅,不盖你,这些都得拜热辐射所赐!)这说完它加热的好处,我留一点篇幅稍后 再解释它与散热,绝热的关系.让我们先把焦点转回它的原理上. 热辐射是不是放射性的a,b,g辐射波,您说呢?那可是对任何生物都会造成伤害性的辐射线耶!不要怀疑,虽不中亦不远矣 ,它们还真有血源关系呢,这一部份因为是笔者最喜欢的一种散热方式,也是当今能参透这门绝学的人少之又少(包括笔者也不是),是以笔者不得不一吐为快,交代清楚,以免让各位越看越模糊,热辐射是一种可以在没有任何介质(空气)的情况下,不需要靠接触,就能够达成热交换的传递方式.一种我戏称为"热数字讯号"(Thermal Digital Signal)的波的形式达成热交换.既然是波,那就会有波长,有频率 ,而所谓波的能量,就是频率乘上一个叫做普郎特的常数(Planck's Constant ),既然跟频率有关,那好,频率的大小依次是Gamma 射线 ,X射线,紫外线,可见光,红外线,微波…而热辐射能量就介于紫外线与红外线之间,所以还算排行老三呢,但光是如此就让你在7月中午的太阳下站不住五分钟了吧!其实您还得感谢地球上有大气层,空气和水分子,这些介质帮我们吸收掉了不少能量呢! 好,咱们再回到主题,既然不需要介质,那就得靠物体与物体表面的热吸收性与放射性来决定热交换量的多寡.我们统称为物体表面的热辐射系数(Emissivity),其值介于0~1之间,是属于物体的表面特性,有一点儿像热传导系数(Conductivity) 都属于材料特性.(其实吸收性(率 )与放射性(率)是一样的,我稍后解释.严格来说,物体表面的热辐射特性有三种,分别是吸收率,反射率和穿透率.这三者加起来的值和为1,像是玻璃,它的能量穿透性很强,所以相对的吸收性与反射性便较弱).让我们看一下它的公式吧Q =e˙s˙F˙Δ(T4)Q 为物体表面热幅热的热交换量.我在这儿强调是热交换量而不是带走的热量.因为公式本身牵涉到两个表面在进行辐射热交换,当假设其中一个表面不存在时,则存在的表面便假设是与某一有限远的固定大气温度进行热交换.e 物体表面的热辐射系数(Emissivity),其值介于0~1之间,是属于物体的表面材料特性,这一部分当物质为金属且表面拋光如镜时,热辐射系数只有约0.02 ~0.05而已,而当金属表面一但作处理后(如表面阳极处理成各种颜色亦或喷漆,则热辐射系数值立刻提升至0.5以上 ,如下图所示当散热片表面处理成绿色后,热辐射系数值立刻由0.03提升至0.82. 而塑料或非金属类的热辐射系数值大部份超过0.5以上,s是波次曼常数5.67*10-8 ,只是一个常数.F是里面最玄的一个,洋文叫做Exchange View Factor,中文应该说成是辐射热交换的视角关系,它其实是一个函数,一个跟两个表面所呈角度,面积,及热辐射系数有关的函数.非常复杂,笔者在此不敢再写下去,以免各位看官承受不住.Δ(T4)最后这个算是最好说的,但也最容易被一般刚入江湖的年轻人弄错的.它正确的写法如笔者框红线所示,是(Ta4- Tb4)而不是(Ta- Tb) 4,.这其中Ta是表面a的温度而Tb是表面b的温度。
所以热辐射的定义是如果物体本身是一个好的辐射散热体,那相对的它也绝对会是一个好的辐射吸热体,这吸热与散热就端看物体表面本身的温度与周围或另外一个物体表面的温度是高是低.若是高,则热便会藉由热辐射散出去,反之热就会被吸收进来.而通常在热对流效应相对很强的情况下(尤其是装风扇的CPU Cooler),热辐射量相对就有限,它与之前所说的热对流散热效应比较起来,几乎是可忽略的一环.但是,反过来说,像部份芯片的被动式散热片(Chipset Heat sink),它的热对流散热效应较不明显,反而会使得热辐射散热效应相对提高,有时甚至会占超过30%的总散热量.
这儿之所以我们称它散热的原因,就是因为我们所谈的散热片都是装附于热源上,通常它的温度都会比周围环境温度要高出许多. 而至于绝热呢?我想我也提出一些问题让各位想一想,保温瓶内为什么要用绝热体包附水银胆呢?给您一个提示~亮面如镜的水银胆反射率可是非常高的喔.那像卫星呢?没有大气层的水及空气保护吸收太阳的辐射热,不会有过热的问题吗?卫星上一样有高精密的电子组件,耶!重点就在于卫星面向太阳的表面有一层反射率非常高的披覆层保护着,让太阳的热辐射量,除了太阳能板之外,几乎全部反射回去,以减少热辐射量的穿透跟吸收. 各位聪明的看官,说到这儿,您认为是吸热,散热,还是绝热重要呢?您是否对"热"这个现象已有初步的概念了呢?别着急,将来有一天你也会跟笔者一样对它又爱又恨的呢!话又说回来,吸热,散热,绝热其实各有所长,也各有其应用于热的时机,端看您的应用领域而有所区别,其实,大部份时候它们还是相互交会运用的机会较大呢! 好,我假设各位对所谓的热传递形式热传导(Conduction),热对流(Convection)，热辐射(Radiation)都有了初步的认识,让我帮各位整理一下思绪,把焦点转回到CPU Cooler的基本架构上,一块一块的剖开来定义清楚 : (1) 风扇:热对流组件,功能上就在于驱动空气灌入下方的散热片中,利用新鲜且大流量的冷空气灌入,并加上风扇本身驱动流场的甩动特性,提高了之前所提到过的热对流系数值(Hest Transfer Coefficient).藉此提高热对流的散热效果.其所占散热的比例份量最重,算是散热界当红的炸子鸡.(2) 扣具:严格说,它算是机构组件,不是散热组件.主要是将散热片扣合在CPU的表面上,但研究发现,当散热片底板与热源接触面受力越大,则固体表面间的接触热阻抗越小,所以,扣具的研发,也慢慢转型为针对散热片受力均匀性为重点.既然牵涉到接触阻抗,那就牵涉到散热片底部的吸热能力,所以,扣具也算是半个热传导组件.(3) 散热片(鳍片部份):我们细分这个部份,它算是连接(吸热)热传导与热对流及热辐射(散热)的最重要管道,因为散热的三大最基本条件就是"面积,面积,面积",读者可参详Part2 与Part3的内容公式便知,这散热片的技术与工艺主要就在这儿,其次,表面阳极处理也是一个非常重要的工艺,它不仅仅是设计上的美观,更牵涉到辐射热交换量的多寡,所以,鳍片设计的好坏,直接决定了产品的生死.当然各种不同的机械加工产品各有其设计上的考量(有的是以吸热为主;有的是以散热为主),但若程度差太远,那就很可惜了,笔者见到坊间不少不忍目睹的散热器,想想,铝条若有知,也一定会暗自掉泪吧!(4) 散热片(底板部份):热传导组件,这儿是纯粹就吸热而言,决定底板的好坏,先要知道问题的症结在那儿,吸热的致命关键就在克服 与热源的接触热阻(Contact Resistance)及热传到底板之后的扩散热阻(Spreading Resistance),所以,底板的设计可也是丝毫苟且不得的.殊不知所有的源头就在于热如何被有效的带出来,连源头都处理不好,更别谈接下来的散热了.看官们可以参照产品评估报告,互相比较,便知其中奥妙.更可以加深您的印象,让您向专家之路再迈进一大步.(5) 热导介质:也是热传导组件,坊间有不少导热胶片或导热膏产品,姑且不论其好坏,它的功用就在于克服金属接触面的微小缝隙,别小看它薄薄的一片,您若不怕CPU冒烟的话,下次换一般黏土玩玩看,保证有趣的要命,(笔者曾测试过,那种坐云霄飞车的快感,保证让您难忘又难过好一阵子),至于导热胶片好还是导热膏好,并没有一定,但效果好是最重要的,将来笔者会针对一系列不同材料评估比较给您知道.(6) CPU:热源,这边若细谈会牵涉到封装制程,要说好一阵子(包括所有的封装演进史与发展过程),笔者再选适当时间叙述.(7) (8) Socket与主板,这儿笔者之所以要把这两项放在一起谈,就是因为散热的考量,其实,热源所释放的热,有10%以上是往下经由Socket从主板被带走的,告诉您一个重点,主板是一块非常大的散热板,笔者见过不少系统都有直接(或间接)针对主板强大的散热能力上作文章的.这其中不止PC产品而已,包括液晶投影机,电源供应器(不断电系统),网络数据交换机….都曾对主板这帖不可多得的散热药材下过一翻工夫. 说到这儿,必须对这次的主题下一个结语了,单刀直入,散热还是您我最关心的重点,但在还没散到热之前,必须解决的是吸热的问题,至于绝热呢,还不到时候,多想无益.......
所以热辐射的定义是如果物体本身是一个好的辐射散热体,那相对的它也绝对会是一个好的辐射吸热体,这吸热与散热就端看物体表面本身的温度与周围或另外一个物体表面的温度是高是低.若是高,则热便会藉由热辐射散出去,反之热就会被吸收进来.而通常在热对流效应相对很强的情况下(尤其是装风扇的CPU Cooler),热辐射量相对就有限,它与之前所说的热对流散热效应比较起来,几乎是可忽略的一环.但是,反过来说,像部份芯片的被动式散热片(Chipset Heat sink),它的热对流散热效应较不明显,反而会使得热辐射散热效应相对提高,有时甚至会占超过30%的总散热量.
这儿之所以我们称它散热的原因,就是因为我们所谈的散热片都是装附于热源上,通常它的温度都会比周围环境温度要高出许多. 而至于绝热呢?我想我也提出一些问题让各位想一想,保温瓶内为什么要用绝热体包附水银胆呢?给您一个提示~亮面如镜的水银胆反射率可是非常高的喔.那像卫星呢?没有大气层的水及空气保护吸收太阳的辐射热,不会有过热的问题吗?卫星上一样有高精密的电子组件,耶!重点就在于卫星面向太阳的表面有一层反射率非常高的披覆层保护着,让太阳的热辐射量,除了太阳能板之外,几乎全部反射回去,以减少热辐射量的穿透跟吸收. 各位聪明的看官,说到这儿,您认为是吸热,散热,还是绝热重要呢?您是否对"热"这个现象已有初步的概念了呢?别着急,将来有一天你也会跟笔者一样对它又爱又恨的呢!话又说回来,吸热,散热,绝热其实各有所长,也各有其应用于热的时机,端看您的应用领域而有所区别,其实,大部份时候它们还是相互交会运用的机会较大呢! 好,我假设各位对所谓的热传递形式热传导(Conduction),热对流(Convection)，热辐射(Radiation)都有了初步的认识,让我帮各位整理一下思绪,把焦点转回到CPU Cooler的基本架构上,一块一块的剖开来定义清楚 : (1) 风扇:热对流组件,功能上就在于驱动空气灌入下方的散热片中,利用新鲜且大流量的冷空气灌入,并加上风扇本身驱动流场的甩动特性,提高了之前所提到过的热对流系数值(Hest Transfer Coefficient).藉此提高热对流的散热效果.其所占散热的比例份量最重,算是散热界当红的炸子鸡.(2) 扣具:严格说,它算是机构组件,不是散热组件.主要是将散热片扣合在CPU的表面上,但研究发现,当散热片底板与热源接触面受力越大,则固体表面间的接触热阻抗越小,所以,扣具的研发,也慢慢转型为针对散热片受力均匀性为重点.既然牵涉到接触阻抗,那就牵涉到散热片底部的吸热能力,所以,扣具也算是半个热传导组件.(3) 散热片(鳍片部份):我们细分这个部份,它算是连接(吸热)热传导与热对流及热辐射(散热)的最重要管道,因为散热的三大最基本条件就是"面积,面积,面积",读者可参详Part2 与Part3的内容公式便知,这散热片的技术与工艺主要就在这儿,其次,表面阳极处理也是一个非常重要的工艺,它不仅仅是设计上的美观,更牵涉到辐射热交换量的多寡,所以,鳍片设计的好坏,直接决定了产品的生死.当然各种不同的机械加工产品各有其设计上的考量(有的是以吸热为主;有的是以散热为主),但若程度差太远,那就很可惜了,笔者见到坊间不少不忍目睹的散热器,想想,铝条若有知,也一定会暗自掉泪吧!(4) 散热片(底板部份):热传导组件,这儿是纯粹就吸热而言,决定底板的好坏,先要知道问题的症结在那儿,吸热的致命关键就在克服 与热源的接触热阻(Contact Resistance)及热传到底板之后的扩散热阻(Spreading Resistance),所以,底板的设计可也是丝毫苟且不得的.殊不知所有的源头就在于热如何被有效的带出来,连源头都处理不好,更别谈接下来的散热了.看官们可以参照产品评估报告,互相比较,便知其中奥妙.更可以加深您的印象,让您向专家之路再迈进一大步.(5) 热导介质:也是热传导组件,坊间有不少导热胶片或导热膏产品,姑且不论其好坏,它的功用就在于克服金属接触面的微小缝隙,别小看它薄薄的一片,您若不怕CPU冒烟的话,下次换一般黏土玩玩看,保证有趣的要命,(笔者曾测试过,那种坐云霄飞车的快感,保证让您难忘又难过好一阵子),至于导热胶片好还是导热膏好,并没有一定,但效果好是最重要的,将来笔者会针对一系列不同材料评估比较给您知道.(6) CPU:热源,这边若细谈会牵涉到封装制程,要说好一阵子(包括所有的封装演进史与发展过程),笔者再选适当时间叙述.(7) (8) Socket与主板,这儿笔者之所以要把这两项放在一起谈,就是因为散热的考量,其实,热源所释放的热,有10%以上是往下经由Socket从主板被带走的,告诉您一个重点,主板是一块非常大的散热板,笔者见过不少系统都有直接(或间接)针对主板强大的散热能力上作文章的.这其中不止PC产品而已,包括液晶投影机,电源供应器(不断电系统),网络数据交换机….都曾对主板这帖不可多得的散热药材下过一翻工夫. 说到这儿,必须对这次的主题下一个结语了,单刀直入,散热还是您我最关心的重点,但在还没散到热之前,必须解决的是吸热的问题,至于绝热呢,还不到时候,多想无益.......
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