风冷散热器（共3篇）
风冷散热器 篇1
0 引 言
随着现代社会的飞速进步,计算机已成为人们工作、生活、学习中的重要帮手,这就促使其性能不断地提高来满足人们的需要,但同时也随之产生了一些问题。比如由于CPU芯片的集成度、封装密度以及工作频率的不断提高,导致它的功率不断增大,发热量惊人上升。CPU温度过高将会影响计算机的可靠性及稳定性,Intel和AMD两大巨头的CPU产品的最高允许工作温度分别为70 ℃和80 ℃[1]。Bar-Cohen等[2]指出电子元器件的温度若超过正常工作温度,每升高2 ℃它的稳定性将降低10%。所以在CPU芯片上加装散热器将产生的热量散发出去,使其维持在正常工作范围内,成为现今研究的一个热点。
目前,计算机使用最多的CPU散热方式为风冷散热,它是最为传统的,也是最成熟的一种散热方式。它的原理简单来说就是通过散热片将热传导出来,再通过风扇转动,加强空气流动,通过强制对流的方式将散热片上的热量传至周围环境。风冷式散热法的主要优点是结构简单,价格低廉(比较其它散热方法),安全可靠,技术成熟。所以适合广大一般用户。
依据散热片的材料,市场上的风冷散热器主要有全铝、全铜和铜铝复合式三种。一般说来,铜的导热率比铝要高,但并不是全铜的散热器就比铝的和铜铝复合的好,因为铜虽然在吸热速度上比铝快,但在放热速度上却恰好相反。铜铝复合式兼顾了两者的优点,成为主流产品。
前人的研究[3,4,5,6,7]主要是对平直翅片型风冷散热器,大多将其放在流速均匀的水平流道中做实验测试和数值模拟来分析其散热性能,获得了一些有益结论。文中对一款典型的铜铝复合型散热器的散热性能进行了实验测评,散热器结构如图1所示。
1 实验测试装置及过程
由于CPU冷却一般是采用轴流风扇加散热器的冷却方式,即射流式。该实验将散热器放在圆形截面形状的风道中进行研究,对散热器进行射流送风,如图2所示,风道长度足够使来流充分发展,以便电球式热风速计测量风速。采用电阻丝模拟实际的CPU芯片发热,将其置于保温盒中,使其产生的热量几乎全部由散热器导出。散热器与发热装置间放有云母片和2 mm厚的铜板,在铜板上布置E型热电偶测量散热器底部中央温度,近似为CPU表面温度。散热器与铜板间涂上导热硅脂,填充散热片下表面与铜板表面之间的细小缝隙,把CPU所产生的热量迅速均匀地传递给散热片,从而最大限度的增加散热片与CPU的接触面积,使散热效果达到最佳。实验通过接触式调压器改变输入功率和风机送风量,测量在不同功率、不同风速下的CPU表面温度,利用温度计测量进出口风温。
2 散热性能评价方法
Christian Belady[8]提出了对散热器性能的评价应该标准化,陈希章等[9,10]探索出从散热器的瞬时储热能力和热阻,以及CPU表面温度三个方面进行散热器性能评价的标准方法。瞬时储热能力即是迅速吸热能力,使CPU通电瞬间所产生的高热量不会将芯片烧坏。散热器的总热阻R
3 实验结果及讨论
实验首先测试了在相同风速条件下,改变输入功率时散热器的散热性能。图3反映的是风速为1.0 m/s时,功率分别为65 W,86 W,100 W,120 W,130 W时的CPU表面温度的变化过程。从图3中可以看出,对模拟芯片加热后,在开始的一段时间,由于CPU通电瞬间,发热量很大,CPU表面温度迅速上升,后逐渐趋缓至稳定值,即达到热平衡状态。在相同风速下,输入功率越大,CPU表面平衡温度越高,且阶跃值越大。当功率从120 W上升至130 W时,CPU表面最高温度从57.2 ℃跃至65.7 ℃,接近CPU最高容许温度。图4和图5是风速分别为1.5 m/s和2.4 m/s时的散热全过程,当功率为130 W时,CPU表面最高温度分别为53.6 ℃和49.6 ℃。可见,风速对散热器的散热性能影响较大。
测试散热器在不同气体流速下的散热性能是评价散热器的最主要方法。图6即显示了风速对散热器散热性能的影响,在相同功率下,风速越大,CPU表面平衡温度越低。在低风速下,功率对散热性能的影响较大;但随着功率的增大,风速的增加对其性能影响的显著性降低。当风速达到2.4 m/s时,噪音增加,散热器综合性能降低。可见在不同功率下,都存在最优冷却风速。所以在散热器上加装可调节转速的风扇,那么在CPU闲置时和发热量低的情况下可以低速运转,降低了噪音。在CPU满负荷运行状态下高速运转,满足其散热需求,从而提高了散热器的综合性能,能较好地满足CPU发热量在120 W以下的散热需求。
上述各图是从瞬间储热能力和CPU表面温度两个方面反映散热器的散热性能,图7则是从热阻方面来分析散热器的性能,从图中可以看出在相同功率下,风速越大,热阻越小,风速从1.0 m/s升至1.5 m/s,热阻减小幅度大;风速从1.5 m/s升至2.4 m/s,热阻降低幅值减小,特别是功率在65～86 W时,且并非风速越大热阻越小;功率在100～120 W之间时,风速增大对热阻的降低影响较为明显,可见在功率较低时采用高风扇转速,不仅增加了噪音,且不能显著提高散热性能,甚至降低散热性能。在相同风速下,功率从65 W上升至86 W时,随功率的增大,热阻明显增大;功率增至100 W时,热阻降低,此时散热器的性能得到了很好地发挥;功率继续增大,热阻增大的幅值降低。可见相对风速对散热性能的影响,功率对其影响较小。
4 结 语
通过对该款散热器性能的测试,在Intel设计要求下,满足Intel Core2 Duo系列,Intel P4 LGA 775 3.4 GHz的散热需求。一般来说,在相同功率下,风速逐渐增大,CPU表面平衡温度越低,热阻越小,散热性能越好。但并非风速越大其性能越好,风速增大所产生的噪音,降低了散热器的综合性能。所以应该在散热和静音之间找到平衡点,以保证计算机的整体性能。实验所设计的的测试平台具有通用性,为后面对其结构上的进一步研究打下了基础。虽说现在许多新型散热器不断涌现,但因其技术的不成熟,价格昂贵等原因都不能得到广泛应用。传统的风冷散热器技术已经相当成熟,对其进行结构上的改进,使其满足现今日益飙升的发热量是可行的,且有一定的研究价值。
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风冷散热器 篇2
关键词：CPU,风冷散热器,散热性能
1. 引言
为了提高运算性能, CPU单位面积内集成的晶体管数量不断增长, 导致总的能量消耗以及因此而转换的热量直线上升。若不能有效解决散热问题, 系统的稳定性将会受到严重的影响, 高密度集成技术就不能被应用, 从而成为阻碍CPU发展的一大瓶颈[1]。
目前主要的散热技术有风冷散热、水冷散热、液冷散热、热管散热器散热、半导体致冷片散热、压缩机辅助散热和液氮散热等。其中风冷散热因其安装简便、成本较低、散热效果明显、适应性强、产品更新换代灵活等特点成为当今散热技术的主流。所谓风冷, 就是利用空气冷却的一种方式, 这种散热方式可以解决通常的散热需要, 因此风冷散热是现在最为常见且使用率最高的一种散热方式。
2. 风冷散热器基本结构
风冷散热器由散热片、扣具、散热风扇、导热介质四部分构成, 再加上环境因素, 就形成了影响风冷散热器散热效果的五大要素[2]。
(1) 散热片:负责吸收热源发出的热量 (通过传导方式吸热) , 并将吸入的热量放出 (通过强制对流方式放热) 。
(2) 扣具:固定散热器, 用压力确保散热器底部与处理器表面良好接触, 保证散热片与热源有一定的接触面积, 充分发挥散热效果。
(3) 风扇:提供一定风量、风压的气流, 在气流与散热片表面之间进行强制对流散热, 通过空气把传递到散热片的热量及时带走。
(4) 导热介质:减少或克服散热器底部与处理器表面接触不充分而产生的接触热阻, 填充缝隙, 增大热源与散热片的接触面积, 增大热传导量。
(5) 环境:提供一定温度、一定压力下的冷流体 (空气) , 将传递至散热片的热量进行对流换热, 并散热到空气中。
3. 风冷散热器传热原理和传热过程
热量传递的基本方式有三种, 即热传导、热对流和热辐射。热传导是两种温度不同的物体之间, 或同一物体但温度不同的两部分之间, 因直接接触而引起的热量交换。热传导的基本公式为"Q=K×A×ΔT/ΔL", 其中Q代表热量, 也就是热传导所产生或传导的热量, K为材料的热传导系数, A代表传热的面积 (或是两物体的接触面积) , ΔT代表物体两端的温度差, ΔL则是物体两端的距离。因此, 从公式可以看出, 热量传递的大小同热传导系数、传热面积成正比, 同距离成反比。热传导系数越高、传热面积越大, 传输的距离越短, 那么热传导的能量就越高, 也就越容易带走热量。热对流指的是流体 (气体或液体) 与固体表面接触, 造成流体从固体表面将热带走的热传递方式。热辐射是一种可以在没有任何介质的情况下, 不需要接触, 就能够发生热交换的传递方式。对于风冷散热器而言, 热传导与热对流是主要的热量传递方式。热源 (CPU) 将热量以热传导方式传至导热介质, 再由导热介质传至散热片基部, 由基部将热量传至散热片鳍片并通过风扇与空气分子进行受迫对流, 将热量散发到空气中。风扇不断向散热片吹入冷空气, 流出热空气, 完成整个散热过程。
4. 影响散热器散热性能的因素分析
合理选择散热器, 正确安装和维护, 才能保证CPU始终处于良好的工作状态。因此, 选择散热器时要充分考虑影响散热器散热性能的因素。
(1) 材料工艺。散热片选用较高导热系数的材料对提高热传导效率很有帮助。导热系数越大, 导热能力越强。在金属材料中, 银的导热系数最高, 但成本高, 纯铜其次。但是, 铜的比重比铝大, 不符合散热片重量限制的要求;铜材价格昂贵, 易氧化;红铜的硬度不如铝合金, 某些机械加工 (如剖沟等) 性能不如铝;铜的熔点比铝高很多, 难以挤压成形, 导致其加工难度大, 加工成本高的问题。另外, 与铝比较, 铜的热容量更小, 也就是说, 其本身不能储存更多的热量, 这个弱点显示在散热器上, 就是当电脑关机, 风扇停转后, CPU内积蓄的热量无法很快被铜质散热片带走, 这样便会大大缩短配件的正常使用寿命。在风冷散热器中一般用6063T5铝合金, 这是因为铝合金的加工性好 (纯铝由于硬度不足, 很难进行切削加工) 、表面处理容易、成本低廉。但随着散热需求的提高, 综合运用各种导热系数高的材料, 已是大势所趋。部分散热片采用铜铝结合的方式来制造, 散热片底部采用纯铜, 是为了发挥铜的导热系数大, 传热量相对大的优点, 而鳍片部分仍采用铝合金片, 是为了加工容易, 将换热面积尽可能做大, 以便对流换热量增大。铜铝的结合应用, 既保证了散热器重量不超标, 又可控制成本, 也取得了很大的效能提升[3]。
(2) 加工工艺。根据热传导理论, 导热量与接触面积成正比, 接触面积越大, 散热片鳍片越多, 散热效果也就会越好。但鳍片的间距不能过密, 过密不利于空气的对流, 热量不能及时散发。其次, 鳍片的高度越高, 也可获得更大的有效散热面积。另外, 散热片的底部必须保证有足够的厚度, 这与高热传递时, 散热片的热容量有关。散热片底部的功能是要将热源的热量大量吸走, 如果底部厚度不足, 散热片的热容量则不足, 传热量会受到限制, 提高了散热片壁面温度, 散热片周围空气温度上升, 气流动力粘度因空气温度的上升而增大, 导致空气流动受阻, 散热片与空气对流换热量将减小, 对流换热热阻加大, 热源的温度就无法降到理想的程度[4]。
(3) 扣具。CPU散热器的扣具是固定散热片和CPU插槽, 确保散热器底部与处理器表面良好接触的散热器配件。扣具的质量优劣和设计的好坏直接关系到散热器的安装方式、散热效果和芯片的安全, 主要包括安装简易性、重心位置、压紧应力和抗震动能力。扣具重心与CPU的DIE的中心重合, 才能保证散热器与CPU的DIE充分接触。扣具的压紧应力的大小也必须控制, 既要保证散热器底部与处理器均匀受力, 也要防止压力过大压坏处理器或压力过小产生间隙, 增加热阻。
(4) 导热介质。由于散热器底部与处理器表面接触不充分会产生接触热阻, 存在于这些空隙中的空气对散热器的传导能力有着很大的影响, 利用导热介质能填充缝隙、增大热源与散热片的接触面积、减小热流距离、增大传热量。衡量导热介质工作特性的性能参数有导热系数、热阻系数、填充能力、 (下转第75页) (上接第43页)
较, 在此基础上阐述了他们的应用范围及发展前景, 为SOC设计中的总线选择提供了参考。
参考文献:
(上接第69页)
工作温度等。导热介质涂抹时应均匀, 能够覆盖CPU核心即可。另外, 导热介质长时间使用后会出现"干化"或"硬化"现象, 为保证系统稳定工作, 应定期清理并重新涂抹。
(5) 风扇。热量传到散热器的顶部后, 需要尽快地将传来的热量散发到周边环境中去, 就是要与周围的空气进行热交换。当热量传递给空气后, 和散热片接触的空气温度会急速上升, 这时候, 热空气应该尽可能和周围的冷空气通过对流等热交换方式来将热量带走, 对风冷散热器来说, 最主要的手段便是提高空气流动的速度, 使用风扇来实现强制对流。散热器风扇的效能 (例如风量、风压) 主要取决于风扇扇叶直径、轴向长度、风扇转速和扇叶形状。但是, 任何风冷散热器在运行时都无可避免的会产生噪音, 风扇转速过高会增大运转噪音, 在降温能力满足散热需求的情况下, 尽量选用低转速风扇。
5. 结束语
散热器是每台电脑都不可缺少的部件, 即使最强悍的CPU如果没有散热器的协助也不可能发挥出强劲的性能。一款设计解中。如下图所示, 红色的方块代表起始节点;绿色的方块表示目标节点;整个地图有白色, 浅灰色和黑色等方块拼接而成的。其中, 白色方块代表权重为0, 浅灰代表权重为20, 灰色表示权重为, 黑色方块表示其方块为不可通区域。连接起点和结束点的曲线为运用A*算法后所经过的路经。
就此类问题而言, 可将评价函数定义为节点到目标点的直线距离。显然, 如此定义的可以完全满足评价函数值达到最小值的要求, 即保证了所寻找到的路径为最优路径。
4.结束语
A*算法可以应用到基于规则格网数据的路径搜索中的。但在实际问题中, 路径搜索不仅要考虑高程信息, 还要权衡坡度、障碍、水系等影响因素。对估价函数中的, 加权后, 可以应用于有不同地形影响因子的最优路径搜索中, 具有一定的实际意义。
参考文献:
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11.张丽媛, 章军, 陈新华.三种SOC片上总线的分析与比较[J].山东科技大学学报, 2005年6月, 第24卷第2期
优秀, 做工精良的CPU散热器不仅能够保证系统长时间的稳定工作, 而且能有效延长处理器的使用寿命。因此, 在选择散热器时, 应充分考虑影响散热器散热性能的主要因素, 合理选择散热器的材质、几何尺寸和制作工艺, 在保证散热器体积小、重量轻的情况下达到更佳的散热效果。
参考文献
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风冷散热器 篇3
某上市公司有很大部分压力容器产品是冷水机组 (风冷热泵) 换热器, 其换热铜管选用了TP2铜管。
冷水机组 (风冷热泵) 换热器目前执行的标准是JB/T4750-2003, 该标准是原JB6917-1999《制冷装置用压力容器》的替代标准。在2003年对换热器进行标准转换时, JB/T4750-2003标准中取消了T P2。因此我在对该类产品的监督检验中出具了联络单。
1 对换热铜管T2、T P2选用的论证比对
该公司为此咨询了该标准主要起草人之一合肥通用所的张明圣先生, 他的口头答复是:在标准报批稿中有T P2等材料, 容标委之所以把T P2拿掉, 是因为可用T2、T3来进行材料列举, 并不说明不准用。
尽管有此口头答复, 但我还是对能否采用TP2材料进行了比对论证。
1.1 GB150-1998中4.1.5条的规定:选择压力容器用钢应考虑容器的使用条件 (如设计温度、设计压力、介质特性和操作特点) 、容器的制造工艺及经济合理性。换热铜管作为换热器的主要受压元件, 在选用材料时也应符合GB150-1998中4.1.5条的规定, 满足使用时的强度要求、胀接要求和使用介质特性要求。根据强度计算结果, 查阅了G B/T1527和G B/T17791-1999标准, 确认T2、TP2、TU2三种半硬态的铜管都可以满足冷水机组 (风冷热泵) 换热器中换热管的强度要求。如表1所示:
1.2通过对GB5231标准的研究, TP2材料的化学成分是非常符合冷水机组 (风冷热泵) 换热器的使用要求的:因为T P2是磷脱氧后的高残留脱氧磷, 其0.05%的磷含量可以保证铜管与水接触时有很高的抵御电化学腐蚀的能力, 而冷水机组 (风冷热泵) 换热器的换热铜管内走的正好是水;高磷含量可有效防止焊接过程的氢脆, 这也是为什么大部分厂家的焊接铜管使用TP2的原因;TP2中高镍含量0.01%可以有效提高其与水接触时的抗腐蚀性, 有效减少铜管腐蚀破裂的可能性, 因为铜管破裂事故对机器的可靠性是致命的。化学成分见表2:
1.3分析张明圣先生所说的“用T2、T3来进行材料列举”的意思。查阅GB/T340-1976《有色金属和合金牌号》, 该标准中规定, 有色金属均用化学元素符合结合顺序号或表示主成分的数字表示, 其余辅助成分用相应字母表示。从表1和表2可以看出, 三种材料的Cu+Ag非常接近, 力学性能也完全一样。因此, 可以认为T2、TP2、TU2从主成分Cu+Ag来说就是一种材料, T U2材料是为了提高抗氧化性而对氧含量提出特殊要求的T2材料, T P2材料也只是对磷含量提出特殊要求的T2材料。
1.4查阅《G B151-1999《管壳式换热器》标准释义》, 在释义的第13页有“……, 但并不是说超出这些材料的范围就不允许使用”的字样, 在释义第45页有“……, 但对已有成熟使用经验的非标准牌号的铜换热管, 应该允许使用”的说明。
表注:1.表中TP2、T2的数据摘自GB/T1527-1997《铜及铜合金拉制管》。因GB/T1527-1997中不要求TU2的力学性能, 表中TU2的数据摘自GB/T17791-1999《空调与制冷用无缝钢管》。
表注:1.表中T2、TP2的数据摘自GB5231《加工铜—化学成分和产品形状》。2.表中Cu+Ag含量为最小值。
1.5.目前很多制冷机生产厂家都大量使用T P2铜管作为换热器的换热铜管, 具有胀接、硬度和钻孔等方面的成熟使用经验, 且使用以来没有出现任何安全问题的记录。
标准J B/T4750-2003中对T P2等材料的取消, 以及其标准释义g) 款 (P61) 对取消这些材料的含糊说明, 给相关各方面理解和执行带来了很大的困难或混淆。接到联络单后, 该公司非常重视, 内部进行了广泛讨论, 和同行厂家进行了交流, 也再次向张明圣先生进行了咨询。交流的结果是, 现在大量的同行厂家依然在广泛使用TP2, 或者使用ASME牌号材料C12200 (与国内TP2材料对应) 。张明圣先生说, 自标准执行以来, 有不少厂家也向他咨询过这个问题, 他已建议容标委要就此问题出一个标准解释。
2 控制方法与措施
2.1.将材料改成T2, 同时对T2材料的磷、镍含量提出特殊要求;
2.2.向容标委请求标准释义。
3 结束语