個(gè)人電腦處理器被動(dòng)散熱研究

李燕平

福建省僑興輕工學(xué)校，福建 福清 350301

目前的主流電腦在性能上已能滿足大多數(shù)人的需求，人們?cè)诳粗须娔X性能的同時(shí)，靜音也成為一個(gè)用戶看中的指標(biāo)。伴隨電腦硬件制程的發(fā)展，CPU等產(chǎn)品都加入了功耗自動(dòng)調(diào)控，可以通過(guò)在應(yīng)用空閑時(shí)自動(dòng)降低頻率電壓等方式降低熱量，而對(duì)于專業(yè)的應(yīng)用如視頻處理、作圖渲染、大型游戲等，需要CPU等部件長(zhǎng)期高負(fù)荷運(yùn)作，需要散熱器風(fēng)扇高速旋轉(zhuǎn)來(lái)帶走熱量，隨之帶來(lái)的高噪音或多或少影響到工作的效率，本文將討論以被動(dòng)散熱的形式降低噪音。

被動(dòng)散熱就是指散熱器在不需要主動(dòng)散熱設(shè)備的條件下(如風(fēng)扇)進(jìn)行被動(dòng)式的散熱。與傳統(tǒng)主動(dòng)式風(fēng)冷散熱方法不同的是，風(fēng)冷散熱的效果首先要取決于環(huán)境溫度的高低，隨后是風(fēng)扇所產(chǎn)生的風(fēng)壓大小，而被動(dòng)散熱就只剩下環(huán)境溫度這一項(xiàng)影響散熱效果的因素，在這種前提下，發(fā)熱體與環(huán)境溫度的接觸面積越大，散熱的效果也就越強(qiáng)，因此被動(dòng)散熱對(duì)散熱片的設(shè)計(jì)提出了高要求。

1 傳統(tǒng)散熱技術(shù)

傳統(tǒng)的CPU等芯片散熱主要采用鋁擠、塞銅等技術(shù)。

鋁擠工藝是將高溫的金屬液態(tài)材料流入特制的耐高溫容器中，制造出毛胚，然后再在毛胚的基礎(chǔ)上進(jìn)行裁剪、剖溝、拉伸而形成。

由于銅的導(dǎo)熱系數(shù)比鋁高，塞銅技術(shù)通過(guò)改變散熱器底部與發(fā)熱源接觸面的材料使銅先與CPU接觸快速導(dǎo)熱然后再與鋁接觸散熱，讓散熱器達(dá)到更好的整體散熱性能。

壓固技術(shù)，這種技術(shù)生產(chǎn)的散熱器一般都為放射碗狀型，葉片均勻的散開(kāi)，這種技術(shù)是將幾十片一樣的散熱鰭片在底部打孔用一個(gè)螺栓把它們穿在一起，然后再擰緊螺絲。這類散熱器一般對(duì)CPU周邊配件起到輔助降溫度作用。

雖然這些散熱技術(shù)應(yīng)對(duì)正常的CPU散熱已足夠，但對(duì)于被動(dòng)散熱來(lái)說(shuō)其顯然還無(wú)法達(dá)到要求。

2 熱管散熱技術(shù)

熱管是一種高效率的導(dǎo)熱材料，導(dǎo)熱能力是純銅的上百倍，它是利用了熱傳導(dǎo)原理與致冷介質(zhì)的快速熱傳遞性質(zhì)，通過(guò)在全密封的真空管內(nèi)的液體的蒸發(fā)與凝結(jié)來(lái)傳遞熱量，具有極高的導(dǎo)熱性、良好的等溫性。常見(jiàn)的熱管一般由管殼、吸液芯和端蓋組成，制作方法是將熱管內(nèi)部抽成負(fù)壓狀態(tài)，再注入沸點(diǎn)很低容易揮發(fā)的液體，管壁有吸芯液，由毛細(xì)多孔材料構(gòu)成，熱管一端為蒸發(fā)端，另一端為冷凝端，當(dāng)熱管一段受熱時(shí)，毛細(xì)管中的液體迅速蒸發(fā)，蒸汽在微小的壓力差下流向另外一端，并且釋放出熱量，重新凝結(jié)成液體，液體再沿多孔材料靠毛細(xì)力的作用流回蒸發(fā)段，如此循環(huán)不止，熱量由熱管一端傳至另外一端，這種循環(huán)是快速進(jìn)行的，熱量可以被源源不斷地傳導(dǎo)開(kāi)來(lái)。

早期熱管散熱主要應(yīng)用于高端領(lǐng)域，現(xiàn)在隨著成本的降低，主流電腦也可以享受到熱管散熱的高效能，因此熱管散熱器正好符合被動(dòng)散熱器設(shè)計(jì)的要求。

3 被動(dòng)系統(tǒng)散熱器的設(shè)計(jì)

被動(dòng)散熱系統(tǒng)中，發(fā)熱體與環(huán)境溫度的接觸面積越大，散熱的效果也就越強(qiáng)，因此，被動(dòng)散熱系統(tǒng)需要大面積的散熱片，同時(shí)將熱管穿過(guò)底座與鋁片。熱管與鋁片和底座采用焊接連接。散熱器的輪廓與目前的塔式熱管散熱器相似。

目前市面上一般的塔型熱管散熱器，其每片鋁片間距相對(duì)較小，必須使用一定風(fēng)量的風(fēng)扇才能夠?qū)⑸崞低?。而被?dòng)式散熱由于設(shè)計(jì)出來(lái)的散熱器本體沒(méi)有外掛風(fēng)扇，為了保證熱量能夠快速流通，每片散熱鋁片的間距不能夠太密集。同時(shí)，考慮到散熱器最終要裝在機(jī)箱里使用，整體高度不能超過(guò)機(jī)箱的寬度，過(guò)多的散熱片鋁片堆積也會(huì)造成散熱器重量加重增加主板的負(fù)擔(dān)，通過(guò)對(duì)市面上幾款塔式熱管散熱器的對(duì)比測(cè)試，將散熱鋁片間的間距控制在3mm，鋁片數(shù)量定在30片，散熱器整體高度在155mm內(nèi)。

圖1 底座設(shè)計(jì)圖

圖2 散熱器設(shè)計(jì)三視圖

減少了鋁片數(shù)量，為了達(dá)到大的散熱面積，必須適當(dāng)增加每片鋁片的單位面積。使用被動(dòng)散熱時(shí)，熱量在散熱鋁片之間囤積，在鋁片上開(kāi)幾個(gè)槽以使熱量得以快速散發(fā)。

測(cè)試的CPU采用高端電腦中較常用的I7系列CPU，頻率為3GHz，經(jīng)過(guò)功耗儀測(cè)試其滿載功耗達(dá)到150W，假設(shè)其全部用來(lái)發(fā)熱，將產(chǎn)生Q=pt=150×3600=540000J的熱量。測(cè)試時(shí)環(huán)境溫度為20℃，先采用不裝入機(jī)箱內(nèi)的裸機(jī)方式測(cè)試其溫度，測(cè)試時(shí)記錄空閑時(shí)的溫度及使用軟件滿載1小時(shí)模擬高負(fù)載時(shí)的溫度。

CPU表面 核心1 核心2 核心3 核心4空閑 53 51 52 53 51滿載1小時(shí) 82 82 81 82 81

這個(gè)成績(jī)可以滿足日常工作的使用，相信通過(guò)改進(jìn)熱管與底座及散熱片間的焊接工藝，將會(huì)得到更好的散熱效果。后面將測(cè)試裝入機(jī)箱后的效果。

一般高端電腦機(jī)箱都會(huì)配置風(fēng)扇，為被動(dòng)式散熱系統(tǒng)設(shè)計(jì)的風(fēng)道，可以使用前后兩個(gè)風(fēng)扇，通過(guò)前風(fēng)扇將冷空氣帶入機(jī)箱，一部分空氣給顯卡進(jìn)行熱交換，另一部分冷空氣在經(jīng)過(guò)CPU散熱升溫后通過(guò)機(jī)箱后部或上部的風(fēng)扇排出機(jī)箱外，不會(huì)造成熱量在箱內(nèi)的積累。

測(cè)試時(shí)將機(jī)箱風(fēng)扇設(shè)置為恒定1000轉(zhuǎn)。

CPU表面 核心1 核心2 核心3 核心4空閑 50 51 50 51 50滿載1小時(shí) 73 76 76 75 76

從測(cè)試結(jié)果可以看出，在機(jī)箱環(huán)境內(nèi)，CPU溫度與裸機(jī)測(cè)試時(shí)相比有一定的降低，尤其是滿載時(shí)的溫度有較大的降低。一般室內(nèi)的環(huán)境音量在33dBA左右，1000轉(zhuǎn)的風(fēng)扇所產(chǎn)生的噪音與環(huán)境噪音相差不大，所以在電腦工作時(shí)不會(huì)有讓人不舒服的噪音產(chǎn)生。

經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)該套系統(tǒng)完全可以勝任目前主流高性能平臺(tái)的日常及大負(fù)荷使用，穩(wěn)定性良好。