个人电脑处理器被动散热研究

2011-04-13李燕平

科技传播 2011年7期

李燕平

福建省侨兴轻工学校，福建福清 350301

目前的主流电脑在性能上已能满足大多数人的需求，人们在看中电脑性能的同时，静音也成为一个用户看中的指标。伴随电脑硬件制程的发展，CPU等产品都加入了功耗自动调控，可以通过在应用空闲时自动降低频率电压等方式降低热量，而对于专业的应用如视频处理、作图渲染、大型游戏等，需要CPU等部件长期高负荷运作，需要散热器风扇高速旋转来带走热量，随之带来的高噪音或多或少影响到工作的效率，本文将讨论以被动散热的形式降低噪音。

被动散热就是指散热器在不需要主动散热设备的条件下(如风扇)进行被动式的散热。与传统主动式风冷散热方法不同的是，风冷散热的效果首先要取决于环境温度的高低，随后是风扇所产生的风压大小，而被动散热就只剩下环境温度这一项影响散热效果的因素，在这种前提下，发热体与环境温度的接触面积越大，散热的效果也就越强，因此被动散热对散热片的设计提出了高要求。

1 传统散热技术

传统的CPU等芯片散热主要采用铝挤、塞铜等技术。

铝挤工艺是将高温的金属液态材料流入特制的耐高温容器中，制造出毛胚，然后再在毛胚的基础上进行裁剪、剖沟、拉伸而形成。

由于铜的导热系数比铝高，塞铜技术通过改变散热器底部与发热源接触面的材料使铜先与CPU接触快速导热然后再与铝接触散热，让散热器达到更好的整体散热性能。

压固技术，这种技术生产的散热器一般都为放射碗状型，叶片均匀的散开，这种技术是将几十片一样的散热鳍片在底部打孔用一个螺栓把它们穿在一起，然后再拧紧螺丝。这类散热器一般对CPU周边配件起到辅助降温度作用。

虽然这些散热技术应对正常的CPU散热已足够，但对于被动散热来说其显然还无法达到要求。

2 热管散热技术

热管是一种高效率的导热材料，导热能力是纯铜的上百倍，它是利用了热传导原理与致冷介质的快速热传递性质，通过在全密封的真空管内的液体的蒸发与凝结来传递热量，具有极高的导热性、良好的等温性。常见的热管一般由管壳、吸液芯和端盖组成，制作方法是将热管内部抽成负压状态，再注入沸点很低容易挥发的液体，管壁有吸芯液，由毛细多孔材料构成，热管一端为蒸发端，另一端为冷凝端，当热管一段受热时，毛细管中的液体迅速蒸发，蒸汽在微小的压力差下流向另外一端，并且释放出热量，重新凝结成液体，液体再沿多孔材料靠毛细力的作用流回蒸发段，如此循环不止，热量由热管一端传至另外一端，这种循环是快速进行的，热量可以被源源不断地传导开来。

早期热管散热主要应用于高端领域，现在随着成本的降低，主流电脑也可以享受到热管散热的高效能，因此热管散热器正好符合被动散热器设计的要求。

3 被动系统散热器的设计

被动散热系统中，发热体与环境温度的接触面积越大，散热的效果也就越强，因此，被动散热系统需要大面积的散热片，同时将热管穿过底座与铝片。热管与铝片和底座采用焊接连接。散热器的轮廓与目前的塔式热管散热器相似。

目前市面上一般的塔型热管散热器，其每片铝片间距相对较小，必须使用一定风量的风扇才能够将散热片吹透。而被动式散热由于设计出来的散热器本体没有外挂风扇，为了保证热量能够快速流通，每片散热铝片的间距不能够太密集。同时，考虑到散热器最终要装在机箱里使用，整体高度不能超过机箱的宽度，过多的散热片铝片堆积也会造成散热器重量加重增加主板的负担，通过对市面上几款塔式热管散热器的对比测试，将散热铝片间的间距控制在3mm，铝片数量定在30片，散热器整体高度在155mm内。

图1 底座设计图

图2 散热器设计三视图

减少了铝片数量，为了达到大的散热面积，必须适当增加每片铝片的单位面积。使用被动散热时，热量在散热铝片之间囤积，在铝片上开几个槽以使热量得以快速散发。

测试的CPU采用高端电脑中较常用的I7系列CPU，频率为3GHz，经过功耗仪测试其满载功耗达到150W，假设其全部用来发热，将产生Q=pt=150×3600=540000J的热量。测试时环境温度为20℃，先采用不装入机箱内的裸机方式测试其温度，测试时记录空闲时的温度及使用软件满载1小时模拟高负载时的温度。