CPU风冷散热器散热性能的实验测试

唐金沙,李艳红,黄 伟,马雯波,刘吉普

摘 要:CPU风冷散热器作为最传统的散热方式,现在仍被广大PC机用户使用。按散热片材料分为全铝、全铜和铜铝复合式三种,其中铜铝复合式是现今主流产品。为对其散热性能进行测试,设计测试散热器散热性能的实验装置。通过改变输入电压,改变风道、风速和模拟芯片的发热功率,测试目前PC机使用最多的放射状铜铝复合式风冷散热器在不同风速、不同加热功率下强迫风冷时的散热性能。从它的瞬时储热能力、热阻及CPU表面温度三个方面分析其散热性能,得出这款散热器能较好地满足CPU发热功率在120 W以内的散热需求。实验测试装置具有通用性,实验结果有助于对此款散热器的改进,以提高其散热性能。

关键词:CPU;风冷;散热器;散热性能;实验测试

中图分类号:TK124文献标识码:A

文章编号:1004-373X(2009)12-115-03

Experimental Testing of Heat Dissipation Peformance of CPU Air Cooling Radiator

TANG Jinsha,LI Yanhong,HUANG Wei,MA Wenbo,LIU Jipu

(School of Mechanical Engineering,Xiangtan University,Hunan,411105,China)

Abstract:For the time being the most traditional and widespread means of cooling components of PC is forced air cooling radiator.It can be divided into three types according to its different materials which are aluminum,copper,and copper-aluminum.Copper-aluminum is the main trend product.In order to test its heat dissipation performance,an experimental facility is designed.Through changing input power to change air velocity in air duct and generated heat power of simulated CPU chip,then the heat dissipation performance under force convection of radiation-shaped radiator is investigated which is used by most of PC users under different air velocity and different power input.The results indicate that the radiator could preferably meet the needs of heat dissipation when the power input is 120W through analizing its performance according to the instant ability of heat storage,thermal resistence and the surface temperature of CPU.The experimental testing facility has universal property,the results are useful for the radiator with further improvement and better performance.

Keywords:CPU;air cooling;radiator;heat dissipation performance;experimental testing

0 引 言

随着现代社会的飞速进步,计算机已成为人们工作、生活、学习中的重要帮手,这就促使其性能不断地提高来满足人们的需要,但同时也随之产生了一些问题。比如由于CPU芯片的集成度、封装密度以及工作频率的不断提高,导致它的功率不断增大,发热量惊人上升。CPU温度过高将会影响计算机的可靠性及稳定性,Intel和AMD两大巨头的CPU产品的最高允许工作温度分别为70 ℃和80 ℃[1]。Bar-Cohen等[2]指出电子元器件的温度若超过正常工作温度,每升高2 ℃它的稳定性将降低10%。所以在CPU芯片上加装散热器将产生的热量散发出去,使其维持在正常工作范围内,成为现今研究的一个热点。

目前,计算机使用最多的CPU散热方式为风冷散热,它是最为传统的,也是最成熟的一种散热方式。它的原理简单来说就是通过散热片将热传导出来,再通过风扇转动,加强空气流动,通过强制对流的方式将散热片上的热量传至周围环境。风冷式散热法的主要优点是结构简单,价格低廉(比较其它散热方法),安全可靠,技术成熟。所以适合广大一般用户。

依据散热片的材料,市场上的风冷散热器主要有全铝、全铜和铜铝复合式三种。一般说来,铜的导热率比铝要高,但并不是全铜的散热器就比铝的和铜铝复合的好,因为铜虽然在吸热速度上比铝快,但在放热速度上却恰好相反。铜铝复合式兼顾了两者的优点,成为主流产品。

前人的研究[3-7]主要是对平直翅片型风冷散热器,大多将其放在流速均匀的水平流道中做实验测试和数值模拟来分析其散热性能,获得了一些有益结论。文中对一款典型的铜铝复合型散热器的散热性能进行了实验测评,散热器结构如图1所示。

图1 散热器结构图

1 实验测试装置及过程

由于CPU冷却一般是采用轴流风扇加散热器的冷却方式,即射流式。该实验将散热器放在圆形截面形状的风道中进行研究,对散热器进行射流送风,如图2所示,风道长度足够使来流充分发展,以便电球式热风速计测量风速。采用电阻丝模拟实际的CPU芯片发热,将其置于保温盒中,使其产生的热量几乎全部由散热器导出。散热器与发热装置间放有云母片和2 mm厚的铜板,在铜板上布置E型热电偶测量散热器底部中央温度,近似为CPU表面温度。散热器与铜板间涂上导热硅脂,填充散热片下表面与铜板表面之间的细小缝隙,把CPU所产生的热量迅速均匀地传递给散热片,从而最大限度的增加散热片与CPU的接触面积,使散热效果达到最佳。实验通过接触式调压器改变输入功率和风机送风量,测量在不同功率、不同风速下的CPU表面温度,利用温度计测量进出口风温。

图2 实验测试装置示意图

2 散热性能评价方法

Christian Belady[8]提出了对散热器性能的评价应该标准化,陈希章等[9,10]探索出从散热器的瞬时储热能力和热阻,以及CPU表面温度三个方面进行散热器性能评价的标准方法。瞬时储热能力即是迅速吸热能力,使CPU通电瞬间所产生的高热量不会将芯片烧坏。散热器的总热阻R[11]t包括CPU表面到散热器底部的接触热阻Rc和散热器自身的热阻R。其中R为导热热阻与对流换热热阻之和。为减少接触热阻Rc,在接触表面涂上导热硅脂。这部分热阻相对散热器自身的热阻R,可以忽略不计。则散热器的总热阻计算公式为:Rt=(Tc-Ta)/Q。其中,Tc,Ta分别为CPU表面温度和周围环境温度;Q为散热量。CPU表面温度最直接反映了散热器的散热性能好坏,温度越低,计算机工作性能更稳定,更可靠。

3 实验结果及讨论

实验首先测试了在相同风速条件下,改变输入功率时散热器的散热性能。图3反映的是风速为1.0 m/s时,功率分别为65 W,86 W,100 W,120 W,130 W时的CPU表面温度的变化过程。从图3中可以看出,对模拟芯片加热后,在开始的一段时间,由于CPU通电瞬间,发热量很大,CPU表面温度迅速上升,后逐渐趋缓至稳定值,即达到热平衡状态。在相同风速下,输入功率越大,CPU表面平衡温度越高,且阶跃值越大。当功率从120 W上升至130 W时,CPU表面最高温度从57.2 ℃跃至65.7 ℃,接近CPU最高容许温度。图4和图5是风速分别为1.5 m/s和2.4 m/s时的散热全过程,当功率为130 W时,CPU表面最高温度分别为53.6 ℃和49.6 ℃。可见,风速对散热器的散热性能影响较大。

图3 风速为1.0 m/s时不同功率下CPU表面温度

图4 风速为1.5 m/s时不同功率下CPU表面温度

测试散热器在不同气体流速下的散热性能是评价散热器的最主要方法。图6即显示了风速对散热器散热性能的影响,在相同功率下,风速越大,CPU表面平衡温度越低。在低风速下,功率对散热性能的影响较大;但随着功率的增大,风速的增加对其性能影响的显著性降低。当风速达到2.4 m/s时,噪音增加,散热器综合性能降低。可见在不同功率下,都存在最优冷却风速。所以在散热器上加装可调节转速的风扇,那么在CPU闲置时和发热量低的情况下可以低速运转,降低了噪音。在CPU满负荷运行状态下高速运转,满足其散热需求,从而提高了散热器的综合性能,能较好地满足CPU发热量在120 W以下的散热需求。

图5 风速为2.4 m/s时不同功率下CPU表面温度

图6 不同风速下功率与CPU表面平衡温度关系曲线

图7 不同风速下功率与热阻关系曲线

上述各图是从瞬间储热能力和CPU表面温度两个方面反映散热器的散热性能,图7则是从热阻方面来分析散热器的性能,从图中可以看出在相同功率下,风速越大,热阻越小,风速从1.0 m/s升至1.5 m/s,热阻减小幅度大;风速从1.5 m/s升至2.4 m/s,热阻降低幅值减小,特别是功率在65~86 W时,且并非风速越大热阻越小;功率在100~120 W之间时,风速增大对热阻的降低影响较为明显,可见在功率较低时采用高风扇转速,不仅增加了噪音,且不能显著提高散热性能,甚至降低散热性能。在相同风速下,功率从65 W上升至86 W时,随功率的增大,热阻明显增大;功率增至100 W时,热阻降低,此时散热器的性能得到了很好地发挥;功率继续增大,热阻增大的幅值降低。可见相对风速对散热性能的影响,功率对其影响较小。

4 结 语

通过对该款散热器性能的测试,在Intel设计要求下,满足Intel Core2 Duo系列,Intel P4 LGA 775 3.4 GHz的散热需求。一般来说,在相同功率下,风速逐渐增大,CPU表面平衡温度越低,热阻越小,散热性能越好。但并非风速越大其性能越好,风速增大所产生的噪音,降低了散热器的综合性能。所以应该在散热和静音之间找到平衡点,以保证计算机的整体性能。实验所设计的的测试平台具有通用性,为后面对其结构上的进一步研究打下了基础。虽说现在许多新型散热器不断涌现,但因其技术的不成熟,价格昂贵等原因都不能得到广泛应用。传统的风冷散热器技术已经相当成熟,对其进行结构上的改进,使其满足现今日益飙升的发热量是可行的,且有一定的研究价值。

参考文献

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