CPU散热器如何工作

作者：Chris Lloyd

欢迎访问e展厅 展厅 13 PCB/其它元器件展厅 PCB线路板, IGBT模块, PIM功率模块, 可控硅模块, 红外线接收头, ... 深入剖析：保持处理器冷却是提升PC机性能的重要方法 电流会产生热量，这点确实有些讨厌。但正是因为这一物理定律，你才能以飞快的速度运行你的PC机处理器。 热即是动能，不能被创造也不能被湮灭，你可以做的是移动它或变换它。冷却处理的技巧在于吸收能量，并将其迁移至足够远，以不至于产生任何损害。 多数PC机内的冷却技术复杂得令人难以置信，在CPU顶部有一个简单的散热器和风扇，这一装置决定了CPU能跑多快。 散热片和风扇 最基本的冷却形式是散热片，因为不涉及功率消耗，它属于被动冷却方式。散热器其实就是与处理器接触的一种高热导材料（通常为铜），处理器将热量传给具有更大质量更大表面积的散热片，热量最终由散热片传给周围空气，该过程的进行有赖于通过对流保持空气流动。 下一步就是在散热片上添加一个风扇，考虑到空气是热的不良导体，这样可以使空气流动起来。让更多空气在更大的空间流动能够改善冷却效果，但实际中PC机内的空间有限。该冷却方案已足够应付大多数情况，但对于高性能设备这还不够。 散热片的下一步发展方向是使用更好的材料。使用碳的想法已经有一段时间，无论是作为沿长度方向导热性很好的碳纤维纳米管、石墨或是泡沫碳，这些材料的导热性都能轻松达到铜的一倍半或更多，而且它们可以被制造成具有更大的表面积。虽然碳纳米管在散热器上有这样的应用前景，铜目前仍然是很好的材料而且非常便宜。 热管 一个简单但有效的办法是采用热管传递大量的热量。当材料经历由气体到液体或由液体到气体这样的相变时，大量的热量被吸收或释放。 例如，当水分沸腾变成水蒸汽时，大约需要2260焦耳/克的热量，即所谓的汽化潜热，这与水每加热一度要吸收4.18焦耳的热量不同。水在相变过程中并不变热，它只吸收热量。 由气体变成液体会释放出同样多的热量，如果你周围的系统到处存在这样的机制，你就拥有了一个热泵，这和冰箱的基本原理相同。 PC机散热器内的热管由少量液体（通常为蒸馏水）密封，以在低压状态下降低沸点（这就是为什么你在珠穆朗玛峰上不能煮一杯像样的茶）。热管里面有一层内衬，起到芯、金属筛网或烧结铜（将来很可能是泡沫铜）的作用。 水在热源端加热沸腾，蒸汽扩散到热管的冷却端，并在那里凝结成液体，在芯的毛细作用下液体又流回热源端。只有很少量的液体在移动，但相变所需的巨大能量意味着大量焦耳热的转移。该过程无需电力及维护。 蒸发室是热管的一种变体，出现已有一段时间，但尚未被广泛接受。这里不再采用一组管道穿过散热片的方案，整个热管被拉平和改形以安装在处理器上，散热器的其余部分安装在最顶上。 液体冷却 PC机液体冷却系统的工作方式和汽车散热器几乎相同。水流过处理器顶部的冷头，然后被泵送至散热片，热量在这里被传导到鳍片和周围空气中。 液体冷却的早期尝试显然是有成功也有失败的自发性试制。现在你可以购买现成的架式冷却器，它并不比常规的散热器更难安装和运行。水冷是非常有效的，与空气相比，水有更合理的热导率，这意味着处理器的热量被吸收得更快，再加上水的大比热容使得水本身就是一个非常好的散热器。 热交换的最后一个环节—散热片，仍然是相当低效的。但至少如果你需要的话，可以安装一个带多个风扇的大型散热片，而且可以安装在远离热源的位置。鉴于其较高的热导率，水银会是更好的工作介质，但健康和安全部门的那些矫情的慈善家又会担忧了。显然，水银是有毒的。 热电冷却（TEC） 现在我们开始接触一些新事物。热电冷却器利用Peltier效应将热量从材料的一端传至另一端，它由两块不同的半导体构成的夹层结构组成。对该夹层结构通以电流会导致热量从一端传至另一端。改变电流的极性即会使热流反向。 除了使用电子之外，热电冷却的工作方式和热管类似。热电冷却的效率不算很高（大约是热管的50%左右），但它采用固体材料，且无需维护。TEC冷却器同样可以在环境温度以下制冷，但散热片就做不到这一点，但TEC冷却器有过冷凝结的缺点，这是在PC机中不希望出现的情况。 TEC目前还没有流行起来，一个重要的原因是酷冷至尊V10全负荷运行时制冷量可达70W。还有一个问题在于，TEC并不将热量传到很远处，热量仅是穿越半导体层的厚度而已，这意味着你还要采用传统的设计将热量耗散掉。 采用TEC散热仍然是一个昂贵的专家级选择。联合使用TEC和液冷方式散热完全是一个极品创意，并且会产生很好的效果，这种方式使用TEC来冷却芯片或散热片（这样更安全些）。 其它方式 当然，总是有一些强力 — 坚持认为把空调上的实际工作单元—蒸汽压缩单元安装到PC机上。对于家庭使用来说，这种方法有些浪费，而且它还会带来冷凝问题。 其它一些夸大其词的方案包括把整台计算机浸入非导电液体中，但根部不切实际。 保持CPU冷却看起来像是一件挺简单的事情，而且你可能认为已有一些高科技的解决方案随时可供使用，但事实上没有。 在这么局促的空间内传热仍然不是简单的事情 — 它需要PC机电源供电，又不产生强磁场、射频，且在任何情况下都不影响到PC机的运行。(end)

文章内容仅供参考 (投稿) (11/9/2010)