CPU散熱原理及散熱方式淺析

秦曉琪　韓楚文

摘要：分析了三種常見(jiàn)熱傳遞的基本原理及影響傳熱效果的因素，在此基礎(chǔ)上，剖析了CPU常見(jiàn)四種散熱方式的工作原理、用到的熱傳遞技術(shù)及不同散熱方式的特點(diǎn)，并結(jié)合散熱原理給出了CPU散熱系統(tǒng)日常維護(hù)的方法；最后，給出了的對(duì)中學(xué)生的學(xué)習(xí)啟示。

關(guān)鍵詞：熱傳遞；CPU；散熱

中圖分類號(hào)：TP391

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1009-3044（2017）10-0210-02

CPU是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的核心，其可靠性是整個(gè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)可靠的基礎(chǔ)，CPU可靠性對(duì)溫度十分敏感，研究表明，55%的CPU失效是由過(guò)熱引起的。如何高效冷卻CPU已成為重要和緊迫的問(wèn)題，本文將對(duì)CPU散熱技術(shù)的最新研究進(jìn)展進(jìn)行淺析。

1.熱傳遞的基本原理

熱傳遞主要包括傳導(dǎo)、對(duì)流、輻射三種方式。不同熱傳遞方式具有不同的原理、特點(diǎn)和不同的熱傳遞效果。

1.1熱傳導(dǎo)

依靠物質(zhì)的分子、原子或電子的運(yùn)動(dòng)，使熱量通過(guò)直接接觸的物體，從高溫部位向低溫部位傳遞。影響熱傳導(dǎo)的主要因素包括：溫差、導(dǎo)熱系數(shù)及導(dǎo)熱物體的截面積，一般來(lái)說(shuō)，固體的導(dǎo)熱系數(shù)比液體的大，而液體的又要比氣體的大，因此，在散熱應(yīng)用場(chǎng)合，多用金屬或水作為熱傳導(dǎo)載體。

1.2熱對(duì)流

通過(guò)流動(dòng)介質(zhì)（液體或氣體），使熱量從溫度較高處向低溫處傳遞。對(duì)流是液體和氣體中熱傳遞的特有方式。在散熱應(yīng)用場(chǎng)合，多采用強(qiáng)迫對(duì)流方式，通過(guò)加快導(dǎo)熱液體或氣體的流動(dòng)速度，達(dá)到良好的對(duì)流傳熱效果。

1.3熱輻射

不依靠其他媒介直接將熱量向物體或系統(tǒng)外傳遞。

2.CPU散熱的工作方式及其特點(diǎn)分析

通過(guò)前面對(duì)三種熱傳遞工作原理的分析不難發(fā)現(xiàn)，對(duì)CPU散熱來(lái)說(shuō)不宜采用熱輻射方法，大多采用熱傳導(dǎo)與熱對(duì)流及其組合方法。

2.1風(fēng)冷法

是一種基于金屬熱傳導(dǎo)和空氣熱對(duì)流方式的CPU降溫方法。該方法在CPU上安裝金屬散熱片，并在散熱片上安裝小風(fēng)扇，讓空氣強(qiáng)迫對(duì)流帶走CPU工作時(shí)產(chǎn)生的熱量?，F(xiàn)在的主板大多具有智能風(fēng)扇控制功能，當(dāng)CPU溫度不高時(shí)（如37°C度），CPU風(fēng)扇轉(zhuǎn)速控制在每分鐘1000-2000轉(zhuǎn)之間，當(dāng)CPU處于高溫時(shí)，風(fēng)扇可滿速運(yùn)行于每分鐘3000-5000轉(zhuǎn)。

風(fēng)冷法因其簡(jiǎn)單、實(shí)用且價(jià)格低廉在臺(tái)式機(jī)得到普遍采用。但風(fēng)冷法冷卻效率低，最多只能排出CPU產(chǎn)生熱量的60%，在應(yīng)用過(guò)程中也面臨諸多限制，主要包括：

1）CPU最高溫度不超過(guò)90°C；

2）環(huán)境溫度不宜超過(guò)40°C；

3）CPU的功率不宜超過(guò)200W；

4）風(fēng)扇空氣流量單位不宜大于40cfro（Cubic Feet per Min-ute）。

2.2水冷法

是一種基于金屬熱傳導(dǎo)和水對(duì)流方式的CPU降溫方法。該方法采用密封性良好的金屬水槽貼在CPU表面，然后通以水循環(huán)系統(tǒng)，將CPU工作時(shí)產(chǎn)生的熱量帶走。為了進(jìn)一步提高水冷法的散熱效果，還常常在水冷系統(tǒng)的散熱片上加裝風(fēng)扇，以快速降低水冷液的溫度，實(shí)現(xiàn)良好的降溫效果。水冷法雖然系統(tǒng)較為復(fù)雜，但其降溫效果明顯優(yōu)于風(fēng)冷法，且適用范圍更廣，在中、高檔機(jī)及大型服務(wù)器中得到了廣泛的應(yīng)用。

2.3半導(dǎo)體致冷片法

是一種基于半導(dǎo)體熱傳導(dǎo)與空氣熱對(duì)流相結(jié)合的主動(dòng)CPU降溫方法。該方法基于帕爾貼效應(yīng)，采用陶瓷封裝的半導(dǎo)體串聯(lián)構(gòu)成溫差電偶，利用通直流電時(shí)，溫差電偶一端吸熱（稱為冷端），另一端放熱（稱為熱端）的原理，通過(guò)冷端將CPU工作時(shí)產(chǎn)生的熱量傳遞到熱端，并通過(guò)風(fēng)冷法把熱端的熱量帶走，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)CPU降溫的目的。半導(dǎo)體致冷具有無(wú)需任何制冷劑、壽命長(zhǎng)、安裝簡(jiǎn)單，還可通過(guò)控制電流實(shí)現(xiàn)高精度的溫度控制。在使用過(guò)程要防止因冷面溫度過(guò)低而出現(xiàn)的CPU結(jié)露，從而導(dǎo)致短路的現(xiàn)象。

2.4熱管散熱技術(shù)

熱管是以相變來(lái)強(qiáng)化換熱的技術(shù)。熱管一般由密閉容器、毛細(xì)結(jié)構(gòu)及低沸點(diǎn)的工作流體三部分構(gòu)成。工作流體在容器內(nèi)維持飽和狀態(tài)，當(dāng)CPU溫度升高時(shí)，容易的一端受熱，工作流體吸熱而汽化，所產(chǎn)生的蒸汽將流向容器另一端溫度較低處放熱凝結(jié)并釋放熱量；凝結(jié)液再借由毛細(xì)作用力或重力回流至原加熱位置，完成一次熱量循環(huán)交換。反復(fù)進(jìn)行上述過(guò)程，從而不斷將蒸發(fā)段的熱量傳送到冷凝段，再通過(guò)散熱片傳遞出去。熱管導(dǎo)熱性能很高，適合在狹小空間中高熱量的排放，已經(jīng)在筆記本電腦散熱中得到廣泛應(yīng)用。

3.CPU散熱系統(tǒng)的日常維護(hù)

CPU散熱系統(tǒng)的效果既與采用的散熱技術(shù)有關(guān)，也與散熱系統(tǒng)熱傳導(dǎo)和熱對(duì)流環(huán)節(jié)的工作效率密切相關(guān)。為此，應(yīng)做好CPU散熱系統(tǒng)的日常維護(hù)工作。

3.1正確使用散熱膏

散熱膏（也稱為散熱硅膠）是廣泛使用的CPU和散熱器之間粘合劑，目標(biāo)是使CPU和散熱器之間充分接觸，提高導(dǎo)熱效果。在新組裝機(jī)器和維護(hù)CPU散熱系統(tǒng)的過(guò)程中，建議按下列方法操作：

1）做好涂抹面的清理工作。用細(xì)砂布統(tǒng)一朝一個(gè)方向輕輕打磨散熱器表面，直到露出金屬光澤為止。然后用干凈的棉布或者脫脂棉球擦拭散熱器表面和處理器表面；

2）在處理器靠近邊緣點(diǎn)涂上少許導(dǎo)熱膏，然后用透明片向一個(gè)方向均勻涂抹反復(fù)幾次，只要處理器表面都被導(dǎo)熱膏覆蓋就足夠了。如果是白色導(dǎo)熱膏，能看到處理器上薄薄地覆蓋一層半透明的膜，厚度就剛剛好；

3）緊固好扇熱器和處理器，使兩者接觸緊密。

3.2保持散熱風(fēng)道的暢通

由前面的分析可知，四種常見(jiàn)的散熱方式都用到了風(fēng)冷法，只有保持散熱風(fēng)道暢通，才能達(dá)到理想的散熱效果?？刹扇〉姆椒òǎ?/p>

1）經(jīng)常清理風(fēng)道中的灰塵和異物，減少它們對(duì)風(fēng)道的阻塞；

2）合理擺放計(jì)算機(jī)，保持風(fēng)道進(jìn)風(fēng)口和出風(fēng)口與其他物體間有足夠的距離，尤其是不能遮擋進(jìn)風(fēng)口和出風(fēng)口。

4.對(duì)中學(xué)生的學(xué)習(xí)啟示

CPU散熱原理使用的是中學(xué)物理中學(xué)過(guò)的熱學(xué)知識(shí)，通過(guò)對(duì)CPU散熱原理和方法的分析，讓我更深刻體會(huì)到物理作為基礎(chǔ)學(xué)科的廣泛用途。作為一名中學(xué)生，我們不僅要努力學(xué)習(xí)各門(mén)基礎(chǔ)知識(shí)，為將來(lái)的發(fā)展打好基礎(chǔ)，同時(shí)，也要積極探求基礎(chǔ)學(xué)科在現(xiàn)實(shí)生活中的應(yīng)用，培養(yǎng)我們的創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)意識(shí)。