唐金沙,李艷紅,黃 偉,馬雯波,劉吉普

摘 要:CPU風(fēng)冷散熱器作為最傳統(tǒng)的散熱方式,現(xiàn)在仍被廣大PC機(jī)用戶使用。按散熱片材料分為全鋁、全銅和銅鋁復(fù)合式三種,其中銅鋁復(fù)合式是現(xiàn)今主流產(chǎn)品。為對(duì)其散熱性能進(jìn)行測試,設(shè)計(jì)測試散熱器散熱性能的實(shí)驗(yàn)裝置。通過改變輸入電壓,改變風(fēng)道、風(fēng)速和模擬芯片的發(fā)熱功率,測試目前PC機(jī)使用最多的放射狀銅鋁復(fù)合式風(fēng)冷散熱器在不同風(fēng)速、不同加熱功率下強(qiáng)迫風(fēng)冷時(shí)的散熱性能。從它的瞬時(shí)儲(chǔ)熱能力、熱阻及CPU表面溫度三個(gè)方面分析其散熱性能,得出這款散熱器能較好地滿足CPU發(fā)熱功率在120 W以內(nèi)的散熱需求。實(shí)驗(yàn)測試裝置具有通用性,實(shí)驗(yàn)結(jié)果有助于對(duì)此款散熱器的改進(jìn),以提高其散熱性能。

關(guān)鍵詞:CPU;風(fēng)冷;散熱器;散熱性能;實(shí)驗(yàn)測試

中圖分類號(hào):TK124文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A

文章編號(hào):1004-373X(2009)12-115-03

Experimental Testing of Heat Dissipation Peformance of CPU Air Cooling Radiator

TANG Jinsha,LI Yanhong,HUANG Wei,MA Wenbo,LIU Jipu

(School of Mechanical Engineering,Xiangtan University,Hunan,411105,China)

Abstract:For the time being the most traditional and widespread means of cooling components of PC is forced air cooling radiator.It can be divided into three types according to its different materials which are aluminum,copper,and copper-aluminum.Copper-aluminum is the main trend product.In order to test its heat dissipation performance,an experimental facility is designed.Through changing input power to change air velocity in air duct and generated heat power of simulated CPU chip,then the heat dissipation performance under force convection of radiation-shaped radiator is investigated which is used by most of PC users under different air velocity and different power input.The results indicate that the radiator could preferably meet the needs of heat dissipation when the power input is 120W through analizing its performance according to the instant ability of heat storage,thermal resistence and the surface temperature of CPU.The experimental testing facility has universal property,the results are useful for the radiator with further improvement and better performance.

Keywords:CPU;air cooling;radiator;heat dissipation performance;experimental testing

0 引 言

隨著現(xiàn)代社會(huì)的飛速進(jìn)步,計(jì)算機(jī)已成為人們工作、生活、學(xué)習(xí)中的重要幫手,這就促使其性能不斷地提高來滿足人們的需要,但同時(shí)也隨之產(chǎn)生了一些問題。比如由于CPU芯片的集成度、封裝密度以及工作頻率的不斷提高,導(dǎo)致它的功率不斷增大,發(fā)熱量驚人上升。CPU溫度過高將會(huì)影響計(jì)算機(jī)的可靠性及穩(wěn)定性,Intel和AMD兩大巨頭的CPU產(chǎn)品的最高允許工作溫度分別為70 ℃和80 ℃[1]。Bar-Cohen等[2]指出電子元器件的溫度若超過正常工作溫度,每升高2 ℃它的穩(wěn)定性將降低10%。所以在CPU芯片上加裝散熱器將產(chǎn)生的熱量散發(fā)出去,使其維持在正常工作范圍內(nèi),成為現(xiàn)今研究的一個(gè)熱點(diǎn)。

目前,計(jì)算機(jī)使用最多的CPU散熱方式為風(fēng)冷散熱,它是最為傳統(tǒng)的,也是最成熟的一種散熱方式。它的原理簡單來說就是通過散熱片將熱傳導(dǎo)出來,再通過風(fēng)扇轉(zhuǎn)動(dòng),加強(qiáng)空氣流動(dòng),通過強(qiáng)制對(duì)流的方式將散熱片上的熱量傳至周圍環(huán)境。風(fēng)冷式散熱法的主要優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單,價(jià)格低廉(比較其它散熱方法),安全可靠,技術(shù)成熟。所以適合廣大一般用戶。

依據(jù)散熱片的材料,市場上的風(fēng)冷散熱器主要有全鋁、全銅和銅鋁復(fù)合式三種。一般說來,銅的導(dǎo)熱率比鋁要高,但并不是全銅的散熱器就比鋁的和銅鋁復(fù)合的好,因?yàn)殂~雖然在吸熱速度上比鋁快,但在放熱速度上卻恰好相反。銅鋁復(fù)合式兼顧了兩者的優(yōu)點(diǎn),成為主流產(chǎn)品。

前人的研究[3-7]主要是對(duì)平直翅片型風(fēng)冷散熱器,大多將其放在流速均勻的水平流道中做實(shí)驗(yàn)測試和數(shù)值模擬來分析其散熱性能,獲得了一些有益結(jié)論。文中對(duì)一款典型的銅鋁復(fù)合型散熱器的散熱性能進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)測評(píng),散熱器結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 散熱器結(jié)構(gòu)圖

1 實(shí)驗(yàn)測試裝置及過程

由于CPU冷卻一般是采用軸流風(fēng)扇加散熱器的冷卻方式,即射流式。該實(shí)驗(yàn)將散熱器放在圓形截面形狀的風(fēng)道中進(jìn)行研究,對(duì)散熱器進(jìn)行射流送風(fēng),如圖2所示,風(fēng)道長度足夠使來流充分發(fā)展,以便電球式熱風(fēng)速計(jì)測量風(fēng)速。采用電阻絲模擬實(shí)際的CPU芯片發(fā)熱,將其置于保溫盒中,使其產(chǎn)生的熱量幾乎全部由散熱器導(dǎo)出。散熱器與發(fā)熱裝置間放有云母片和2 mm厚的銅板,在銅板上布置E型熱電偶測量散熱器底部中央溫度,近似為CPU表面溫度。散熱器與銅板間涂上導(dǎo)熱硅脂,填充散熱片下表面與銅板表面之間的細(xì)小縫隙,把CPU所產(chǎn)生的熱量迅速均勻地傳遞給散熱片,從而最大限度的增加散熱片與CPU的接觸面積,使散熱效果達(dá)到最佳。實(shí)驗(yàn)通過接觸式調(diào)壓器改變輸入功率和風(fēng)機(jī)送風(fēng)量,測量在不同功率、不同風(fēng)速下的CPU表面溫度,利用溫度計(jì)測量進(jìn)出口風(fēng)溫。

圖2 實(shí)驗(yàn)測試裝置示意圖

2 散熱性能評(píng)價(jià)方法

Christian Belady[8]提出了對(duì)散熱器性能的評(píng)價(jià)應(yīng)該標(biāo)準(zhǔn)化,陳希章等[9,10]探索出從散熱器的瞬時(shí)儲(chǔ)熱能力和熱阻,以及CPU表面溫度三個(gè)方面進(jìn)行散熱器性能評(píng)價(jià)的標(biāo)準(zhǔn)方法。瞬時(shí)儲(chǔ)熱能力即是迅速吸熱能力,使CPU通電瞬間所產(chǎn)生的高熱量不會(huì)將芯片燒壞。散熱器的總熱阻R[11]t包括CPU表面到散熱器底部的接觸熱阻Rc和散熱器自身的熱阻R。其中R為導(dǎo)熱熱阻與對(duì)流換熱熱阻之和。為減少接觸熱阻Rc,在接觸表面涂上導(dǎo)熱硅脂。這部分熱阻相對(duì)散熱器自身的熱阻R,可以忽略不計(jì)。則散熱器的總熱阻計(jì)算公式為:Rt=(Tc-Ta)/Q。其中,Tc,Ta分別為CPU表面溫度和周圍環(huán)境溫度;Q為散熱量。CPU表面溫度最直接反映了散熱器的散熱性能好壞,溫度越低,計(jì)算機(jī)工作性能更穩(wěn)定,更可靠。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及討論

實(shí)驗(yàn)首先測試了在相同風(fēng)速條件下,改變輸入功率時(shí)散熱器的散熱性能。圖3反映的是風(fēng)速為1.0 m/s時(shí),功率分別為65 W,86 W,100 W,120 W,130 W時(shí)的CPU表面溫度的變化過程。從圖3中可以看出,對(duì)模擬芯片加熱后,在開始的一段時(shí)間,由于CPU通電瞬間,發(fā)熱量很大,CPU表面溫度迅速上升,后逐漸趨緩至穩(wěn)定值,即達(dá)到熱平衡狀態(tài)。在相同風(fēng)速下,輸入功率越大,CPU表面平衡溫度越高,且階躍值越大。當(dāng)功率從120 W上升至130 W時(shí),CPU表面最高溫度從57.2 ℃躍至65.7 ℃,接近CPU最高容許溫度。圖4和圖5是風(fēng)速分別為1.5 m/s和2.4 m/s時(shí)的散熱全過程,當(dāng)功率為130 W時(shí),CPU表面最高溫度分別為53.6 ℃和49.6 ℃。可見,風(fēng)速對(duì)散熱器的散熱性能影響較大。

圖3 風(fēng)速為1.0 m/s時(shí)不同功率下CPU表面溫度

圖4 風(fēng)速為1.5 m/s時(shí)不同功率下CPU表面溫度

測試散熱器在不同氣體流速下的散熱性能是評(píng)價(jià)散熱器的最主要方法。圖6即顯示了風(fēng)速對(duì)散熱器散熱性能的影響,在相同功率下,風(fēng)速越大,CPU表面平衡溫度越低。在低風(fēng)速下,功率對(duì)散熱性能的影響較大;但隨著功率的增大,風(fēng)速的增加對(duì)其性能影響的顯著性降低。當(dāng)風(fēng)速達(dá)到2.4 m/s時(shí),噪音增加,散熱器綜合性能降低?？梢娫诓煌β氏?都存在最優(yōu)冷卻風(fēng)速。所以在散熱器上加裝可調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速的風(fēng)扇,那么在CPU閑置時(shí)和發(fā)熱量低的情況下可以低速運(yùn)轉(zhuǎn),降低了噪音。在CPU滿負(fù)荷運(yùn)行狀態(tài)下高速運(yùn)轉(zhuǎn),滿足其散熱需求,從而提高了散熱器的綜合性能,能較好地滿足CPU發(fā)熱量在120 W以下的散熱需求。

圖5 風(fēng)速為2.4 m/s時(shí)不同功率下CPU表面溫度

圖6 不同風(fēng)速下功率與CPU表面平衡溫度關(guān)系曲線

圖7 不同風(fēng)速下功率與熱阻關(guān)系曲線

上述各圖是從瞬間儲(chǔ)熱能力和CPU表面溫度兩個(gè)方面反映散熱器的散熱性能,圖7則是從熱阻方面來分析散熱器的性能,從圖中可以看出在相同功率下,風(fēng)速越大,熱阻越小,風(fēng)速從1.0 m/s升至1.5 m/s,熱阻減小幅度大;風(fēng)速從1.5 m/s升至2.4 m/s,熱阻降低幅值減小,特別是功率在65~86 W時(shí),且并非風(fēng)速越大熱阻越小;功率在100~120 W之間時(shí),風(fēng)速增大對(duì)熱阻的降低影響較為明顯,可見在功率較低時(shí)采用高風(fēng)扇轉(zhuǎn)速,不僅增加了噪音,且不能顯著提高散熱性能,甚至降低散熱性能。在相同風(fēng)速下,功率從65 W上升至86 W時(shí),隨功率的增大,熱阻明顯增大;功率增至100 W時(shí),熱阻降低,此時(shí)散熱器的性能得到了很好地發(fā)揮;功率繼續(xù)增大,熱阻增大的幅值降低?？梢娤鄬?duì)風(fēng)速對(duì)散熱性能的影響,功率對(duì)其影響較小。

4 結(jié) 語

通過對(duì)該款散熱器性能的測試,在Intel設(shè)計(jì)要求下,滿足Intel Core2 Duo系列,Intel P4 LGA 775 3.4 GHz的散熱需求。一般來說,在相同功率下,風(fēng)速逐漸增大,CPU表面平衡溫度越低,熱阻越小,散熱性能越好。但并非風(fēng)速越大其性能越好,風(fēng)速增大所產(chǎn)生的噪音,降低了散熱器的綜合性能。所以應(yīng)該在散熱和靜音之間找到平衡點(diǎn),以保證計(jì)算機(jī)的整體性能。實(shí)驗(yàn)所設(shè)計(jì)的的測試平臺(tái)具有通用性,為后面對(duì)其結(jié)構(gòu)上的進(jìn)一步研究打下了基礎(chǔ)。雖說現(xiàn)在許多新型散熱器不斷涌現(xiàn),但因其技術(shù)的不成熟,價(jià)格昂貴等原因都不能得到廣泛應(yīng)用。傳統(tǒng)的風(fēng)冷散熱器技術(shù)已經(jīng)相當(dāng)成熟,對(duì)其進(jìn)行結(jié)構(gòu)上的改進(jìn),使其滿足現(xiàn)今日益飆升的發(fā)熱量是可行的,且有一定的研究價(jià)值。

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