针状鳍片散热器： 反自然罪行还是必要之选？

从杂志上的照片看，针状鳍片散热器似乎有更多的散热面积。但是，为什么它的散热性能没有变得更好？

经验：强制对流只对平行气流方向的散热器面积起作用。

我和妻子曾经去Hi-Tech Round-Up商场购物，这个大商场靠近高速公路出口，也卖音乐CD以及配套的CD-ROM软件。我们当时正在为我的计算机选购一个调制解调器，有了它，我们就可以给经常联系的朋友们发电子邮件了。过去我们在飞机上，常常使用座椅头枕后方的电话机，给朋友们打非常昂贵的电话：“猜猜我们是在哪里给你拨的电话？”后来这个也不好玩了，因为这些人家里都安装了电话应答机。在计算机配件过道，我妻子从货架上拿下一个水泡包。

“这不是你工作当中经常用到的那种东西吗？这个叫什么？”她问我。

我感到有点震惊，零售商店居然也卖这种东西。我猜他们下一步或许打算销售用铅箔包装的钚了。

我告诉妻子：“是的，这是散热器。但是我经常称它为‘反自然罪行’。”

旁边站着六七个购物者，他们听到“反自然罪行”这个词语，一下子警觉起来。我妻子眨了眨眼睛说：“这会是你以后的一个演讲题目吗？比如，Oliver Douglas在绿地的演讲？你为什么不写一本这样的书呢？”

请记住，这都是我妻子的错。

如图18-1所示，这就是曾经风靡一时的针状鳍片散热器。这种散热器是对铝材料的浪费，是反自然罪行。

图18-1 针状鳍片散热器：无知者的选择

Hi-Tech Round-Up商场将这个散热器命名为“486冷却器！有了它，你的计算机CPU再也不会过热！”散热器的底部有一层双面胶带。只需将胶带上的薄膜撕掉，然后将整个散热器贴在486处理器上，就不必担心计算机会出现热故障了。

我不知道这个散热器对计算机散热到底有多大帮助，但是我在TeleLeap公司制定了一条关于针状鳍片散热器的经验规则：

1.不要使用针状鳍片散热器

我讨厌制定经验规则，原因之一就是拇指^[1]，因为拇指是五个手指中最笨拙的。而我却希望设计者和工程师在做热设计时能够展示他的敏锐、机智、优雅和高效。但是在针状鳍片散热器这个问题上，我还是给出了这样一条简单的经验规则。

2.针状鳍片散热器是一个好点子

散热器厂商极力推荐使用针状鳍片散热器，它被印刷在杂志广告页里，也出现在散热器厂商产品手册的封面。针状鳍片散热器之所以流行，就在于它们看上去比较奇特。“看看我的电路板，上面有针状鳍片散热器，这个绝对是高科技！”除此之外，针状鳍片散热器是基于真正的科学而研发出来的产品。

还记得那个换热方程吗？

Q=hAΔT （18-1）

或

Power=h×Area（Temp_high-Temp_low） （18-2）

散热器面积越大，它的散热能力越强。这是另外一个关于散热器设计的经验规则。但是，待会你会发现，这个经验规则在这里根本不成立。

针状鳍片散热器的设计理念是试图在一个给定的体积里生成尽可能多的换热面积。在如图18-1所示的针状散热器中，看上去似乎生成了很多换热面积。(www.zuozong.com)

另一个设计理念是，针状鳍片散热器可以适应不同的气流方向。除了散热器基底垂直方向，不管空气从哪个方向吹来，总有气流掠过散热器的针状鳍片。

让我们来比较针状鳍片散热器与板翅型鳍片散热器，如图18-2所示。

图18-2 板翅型鳍片只能在一个气流方向有效， 而针状鳍片在各个气流方向都有效

板翅型鳍片散热器是将铝型材挤压通过散热器形状的模具孔，然后将成型的铝块切成一定长度的散热器，与Play-Doh乐趣工厂的加工方式一模一样。这种加工工艺只能做一个方向的鳍片。针状鳍片散热器则在板翅型鳍片散热器的基础上，用锯齿或打磨机将板翅型鳍片横切成针状鳍片，如图18-3所示。

图18-3 如何从一个便宜的板翅型鳍片散热器制作一个昂贵且低效的针状鳍片散热器

针状鳍片散热器的本意是增加更多的换热表面积。比较图18-3所示的两个散热器，哪个散热器的换热面积更大呢？其实不难看出来。当用锯齿横切板翅型鳍片时，确实增加了一些散热表面，但同时也减少了一些。如果锯齿切除的部分比鳍片厚度大时，那么总的换热面积是减少了；如果锯齿切除的部分小于鳍片的厚度，那么总的面积确实有很小的增加。市面上的针状鳍片散热器似乎总是采用正方形的针状鳍片，鳍片间距与鳍片宽度相同，采用这种设计的针状鳍片散热器与原来的板翅型鳍片散热器的换热面积一模一样。

本来应该会有人站出来说：“嘿，为什么我们要花钱切割板翅型鳍片散热器，得到的换热面积却并没有增加？”遗憾的是，没有人站出来表达这种观点。然而故事并没有结束，鳍片的表面积本身并没有什么用，只有与流过的气流接触的表面积才对换热有帮助。

如果板翅型鳍片散热器安装正确的话，鳍片的表面积和气流方向是一致的，如图18-4所示。对于针状鳍片散热器，只有与气流同方向的表面积能够接触到流动空气；垂直气流方向的表面积接触到的只是静止的空气或漩涡气流，这部分表面积无法带走太多热量。因此，针状鳍片散热器不仅没有增加散热面积，而且有一半的表面积朝向错误的气流方向。

针状鳍片散热器的发明者至少实现了一个设计目标，即气流从各个方向都可以通过针状鳍片散热器。TeleLeap公司有90%的产品属于自然对流散热，对于自然对流而言，流过各个方向的气流速度都很低。大部分针状鳍片散热器的鳍片靠得太近，由此会带来一些问题。空气流经单个鳍片时会产生湍动气流，如果两个鳍片靠得太近，两个湍动气流互相碰触并挤进两个鳍片之间狭窄的流道，形成湍流。图18-1所示的散热器鳍片之间的距离只有1/16in（约1.6mm），差不多可以将这个散热器视为一个固体铝块了，空气只能从散热器的四周和鳍片上方流过。板翅型鳍片散热器也存在相同的问题，鳍片靠得太近，对自然对流不利。

当功耗和鳍片长度一定时，可以用教科书上的方程式计算散热器最优的鳍片间距。对于典型的散热器（如1in×1in或2in×2in）和10W以内的功耗，自然对流散热的最佳鳍片间距大约为1/4in（6.4mm）。大家不必去记教科书上那些枯燥的方程式，只需记住1/4in就可以了。还有一个更好的方法，如果散热器鳍片之间无法容纳你的小拇指，那么不要在自然对流散热中使用这个散热器，我称之为“小拇指规则”。

图18-4 针状鳍片有部分表面积在低流速区

3.案例

小拇指规则在光补偿器模块项目派上了用场。当光信号进行远距离传输时，信号会变得有点模糊，这个光补偿器模块就是为了帮助光纤接收器检测正确的信号。模块上有一个面积为1in²的芯片，其功耗为3.5W。我们为这个芯片设计了两种散热器，如图18-5所示。

针对不同的散热器，我们分别对芯片的壳温进行了测量，实测结果如下：

图18-5 哪一个散热器看上去是高科技产品？哪一个散热器散热性能更好？ （单位：in）

板翅型鳍片散热器表面积只有针状鳍片散热器的左右，然而它的冷却效果却比昂贵的针状鳍片散热器好7℃。这个例子告诉我们：过犹不及。

[1]“经验规则”的英文是Rules of Thumb，里面含有Thumb，意思是拇指。——译者注