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从散热器的设计到热管与水冷散热简析
添加时间: 2016-1-29 点击次数: 586 次 [点此返回]

从散热器的设计到热管与水冷散热简析

 

天气渐渐转暖了,大家逐渐开始脱去冬装换春装了,身上的“负担”减轻了不少。

不过对于电脑的散热系统来说,气温的提高却是负担加重的开始。

再过一段时间,散热的问题又会再次成为电脑玩家的热衷话题。在大家开始议论这种散热器的好坏之前,我想有必要把一些关于散热的问题先给大家介绍一下,同时澄清一些广泛流传的误解。

基本概念

经常看到有人说自己的CPU多少度多少度,然后问别人的CPU多少度,再进行比较。这样做其实是不正确的,因为CPU(或者其他任何设备)的温度都与环境温度有直接关系。

如果环境温度不同,那对比CPU温度的绝对值没有任何意义。所以在研究换热问题时,主要是以“温差—换热两端的温度差”作为衡量指标,温度值通常仅作为一个标量参数而已。

另外一个重要的概念是“热阻”。热阻是导热介质通过一定功率的热流时,两端产生的温度差,因此它的单位是“度/瓦”。如果你把温差看作电压差,热流看作电流,那么热阻就与电阻的概念非常相似。

在研究传热问题时,我们也制作热路图。在热路图中可以看到热阻的符号和电阻的符号是完全一样的。另外和电路中的“地”类似的,也有“热地”的概念,并且定义热地的温度是不会改变的。通常我们把环境温度就作为热地的温度。但是实际环境温度同样可能受到影响而发生变化,所以在确定具体哪个位置的温度作为环境温度时,必须非常注意。

关于散热器的设计

基本概念了解之后,我们可以开始说有关散热设计的问题。

在设计CPU散热器的时候,往往要根据厂家提供的各种设计规范和参考。其中影响散热器设计的最直接因素有三个:一是热功率和最高温度;二是CPU的封装形式和尺寸;三是主板及周边器件的相关设计。

第一个因素对于散热器设计来说是硬性指标,如果再考虑CPU工作的环境温度要求,就可以明白这实际上就是规定了散热器的热阻的最大值。所以,专业的散热器设计是直接标注散热器热阻大小的。

第二和第三个因素对散热器设计形式有较大影响,它将限制散热器设计的材质、外形、尺寸和重量等。比如由于Intel的CPU普遍采用了铜质的IHS(Integrated Heat Spreader—集成散热器)顶盖,它的CPU散热器设计相对比较灵活。

IHS保护了CPU内核不受损伤,因此在设计散热器扣具时不必太担心散热器倾斜和扣具压力过大的问题。此外Intel规范中主板上的支架用于支撑散热器,可以放宽散热器重量的限制,扣具的可选形式也更多。但是IHS的负面作用恰好使它名不副实,因为IHS不仅没有起到帮助散热的作用,反而增加了额外的热阻。这点已经得到相应的批评,各位只要明白IHS仅仅是一个保护CPU核心的东西而已。

AMD的AthlonXP没有IHS,热量可以释放的比较彻底。但是由于FCPGA封装的核心裸露,不得不严格限制散热器的重量,并考虑扣具设计的合理性。重量过大的散热器可能在振动和冲击过程中磨损核心表面,甚至直接将CPU损坏。而扣具设计不合理会导致核心受力不均,可能在安装散热器的过程中将核心压碎,或者在使用中对核心某一侧产生严重磨损。

典型合理的AMD扣具设计如上图所示。无论扣具处于什么角度,扣具对散热器的压力始终垂直于核心表面,从而避免散热器发生倾斜。

由于封装形式和扣具的限制,AthlonXP在尺寸和质量上应避免过大过重,并且要非常注意控制振动问题(振动是CPU表面磨损的主要原因之一),因此主要通过改进散热器结构来提高散热效果。不过从Athlon64开始,AMD也在CPU上加上了保护性的铜盖。可见为了适应更大尺寸的散热器,厂家在散热效率方面不得不作出一些让步。

当散热器的各种设计指标确定之后,摆在工程师面前的情况不容乐观。发热与速度总是一同提高的,在如今的主流CPU工作频率下(2.4GHz),典型发热功率都在50W左右,最大发热功率在为70W左右,Prescott则更为激进一些,接近100W。northwood和prescott允许的最高核心温度在75度附近,AthlonXP再高一点为85度。

假设环境温度25度,则要求散热器热阻在1度/W左右,而且这还包括了CPU的封装热阻与各种接触热阻,实际对散热器的要求更为苛刻。对于这样的指标,采用传统形式的铝制散热器已经很勉强,因此工程师在散热片和风扇两方面都做了相当大的改进。

散热片

在散热片方面,由于铝材质固有的导热系数限制,从形状上提高散热效果已经到了极致。所以目前主要是如何利用导热系数更高的铜来降低热阻。最好的方式当然是全铜散热片。一般可以采用切割鳍片或铸造成形的加工方法。

这两种工艺效果虽好,但原材料和加工工艺的成本都非常高。 另外两种全铜散热片的形式为焊接和插鳍工艺。焊接是将铜鳍片排列后焊在铜底上,焊料为锡合金;而插鳍工艺则是铜底上刨沟,然后嵌入较薄的铜鳍并压紧。

在这两种间接的铜散热器中,鳍片和底部的接合面是热阻最大的地方,成为传热的瓶颈。所以接合面的加工质量非常关键,具体的加工质量取决于各个厂家的技术实力,因此实际产品的效果很可能参差不齐,选购的时候需要十分注意。

目前最为流行的还是铜铝结合的散热片,接合方式主要是底部嵌铜。与回流焊和插鳍工艺类似,嵌铜接合面的好坏也决定了散热片的最大热阻。嵌铜的方法包括:扦焊、螺丝锁合,热胀冷缩结合,机械压合等。

在扦焊工艺中,焊接面的连接质量决定了其最大的热阻大小,这与焊接的全铜散热器类似。对于螺丝锁合、热胀冷缩结合和机械压合,接合面的平整度和接合应力大小是关键因素。

平整度将决定良好接触的面积,良好接触面积越大热阻越小;根据接触换热测量,接触热阻是接触应力的减函数,即应力越大,热阻越小。其中热胀冷缩和机械压合的接合质量比较好。

一般来说不容易从外观上了解加工工艺的好坏,除非工艺水平太低。唯一可做的是观察铜铝接合的边缘,看其是否平滑紧密。这个方法可以排除粗制滥造的产品。但是最终还是要通过实际测试来鉴别嵌铜质量的优劣。

风扇

风扇方面,大家都知道提高风扇功率的好处,我就不多说了。在这里说一下送风形式的问题。最广泛的形式就是用轴流风机(也就是最普遍的那种风扇)向下鼓风,之所以这么流行是因为综合效果好且成本低廉。如果把轴流风机的方向反过来,就变成向上抽风,在某些特别型号的散热器中会采用这种形式。

两种送风形式的差别在于气流形式的不同,鼓风时产生的是紊流,风压大但容易受到阻力损失;抽风时产生的是层流,风压小但气流稳定。理论上说,紊流的换热效率比层流大得多,因此才成为主流设计形式。但是气流的运动与散热片也有直接关系。

在某些散热片设计中(比如过于紧密的鳍片),气流受散热片阻碍非常大,此时采用抽风可能会有更好的效果。至于采用侧面鼓风的设计,通常不会和顶部鼓风的效果有什么差别。而比较有效的改进方法是建立CPU专用的散热风道,这样便不会受到CPU附近热空气的影响,相当于降低了环境温度。

轴流风机虽然应用广泛,但是也存在固有的缺陷。

轴流风机受电机位置的阻挡,气流不能流畅通过鼓风区域的中部,这称为“死区”。而在典型的散热片上,恰恰中部鳍片的温度最高。由于存在这种矛盾,采用轴流风机时,散热片的散热效果并不充分。 

目前只有元山科技的外磁风扇是唯一能够较好解决死区问题的轴流风机产品,当然它的价格也就比较高了。

与轴流风机完全不同的离心风机,逐渐开始使用在CPU散热当中,通常被电脑用户称为“涡轮风扇”。这种风扇的优越之处在于很好地解决了“死区”问题。

离心风机的鼓风方向上没有障碍物,所以在各个位置都有同样的气流。同时它的风压和风量的调节范围也更大,转速控制的效果更好。负面的影响和大功率轴流风机一样—价格高、噪音大。

最后我们来谈谈大多数玩家得不到、但是很关心的一些东西。

热管

热管是目前炒作最多的散热器件,它有极高的导热系数,很贵的价格,以及非常大的知名度。不过请明白一点,热管没有任何散热功能,它只是将热量从一处搬运到另外一处,却没有办法释放热量。

因此,所有的热管都必须与其他散热设备搭配才能工作。在计算热阻时,主要考虑的是热管两端设备的热阻和额外的接触热阻(热管与其它散热器件之间)。

散热设备的散热能力必须满足热管的需要,否则轻者效率低下,重者烧毁热管。实际的产品中,设计良好的热管散热器主要都是在笔记本中。台式机CPU散热器采用热管的比较少,效果好的就更少。

水冷

水冷其实应该称为液冷,只是由于很多发烧友只知道往里面灌水,所以我们就叫它水冷好了。水冷有两种,一种是管道封闭的循环,另外一种是利用蓄水池的开放式循环。

不论哪一种都可以从根本上解决散热效率问题,其物理成本可能还低于热管散热器。但是水冷带来的问题也同样难以解决。

首先是性能方面,封闭循环的水冷散热器也有与热管类似的问题:末端散热器才是最大的热阻环节,必须保证末端散热设备提供足够的散热能力,否则过热只是时间问题。而这些体积庞大的末端散热设备只能外置,成本和噪音也不是一般用户所能接受。

对于开放循环的水冷,性能上没有任何问题,只要你准备足够的水,并且保持蓄水池的低温。 可靠性方面:对于开放式循环的水冷,由于新鲜的水中总带有杂质,管道内的水垢问题会慢慢显现(除非你只使用蒸馏水);

对于封闭式循环的水冷,灌注一次蒸馏水可以解决微生物和水垢的问题。不过如果环境温度低于零度,仍然有可能结冰并造成其他问题。既便你不在乎上面这些麻烦,至少你还得注意不要出现漏水的情况。最后,水泵与风扇一样也是长时间工作的设备,并且容易出现故障,因此需要经常检查和维护。

总得来说,运行一套水冷系统除了要更多的金钱,还要加上更多的时间和精力。这注定了水冷只能是发烧玩家的玩具。普通用户若想在性能、价格和稳定性方面比较均衡的解决方案,还是应当关注传统的风冷散热。

说了这么多都是理论上的东西,给大家一个基本概念。这样在了解和选购散热器的时候可以避免受到很多误导。对于一些实际的问题,过多的理论分析可能意义不大,建议大家多动手通过实践了解。