CPU風冷散熱器散熱性能的實驗測試

唐金沙,李艷紅,黃 偉,馬雯波,劉吉普

摘 要:CPU風冷散熱器作為最傳統的散熱方式,現在仍被廣大PC機用戶使用。按散熱片材料分為全鋁、全銅和銅鋁復合式三種,其中銅鋁復合式是現今主流產品。為對其散熱性能進行測試,設計測試散熱器散熱性能的實驗裝置。通過改變輸入電壓,改變風道、風速和模擬芯片的發熱功率,測試目前PC機使用最多的放射狀銅鋁復合式風冷散熱器在不同風速、不同加熱功率下強迫風冷時的散熱性能。從它的瞬時儲熱能力、熱阻及CPU表面溫度三個方面分析其散熱性能,得出這款散熱器能較好地滿足CPU發熱功率在120 W以內的散熱需求。實驗測試裝置具有通用性,實驗結果有助于對此款散熱器的改進,以提高其散熱性能。

關鍵詞:CPU;風冷;散熱器;散熱性能;實驗測試

中圖分類號:TK124文獻標識碼:A

文章編號: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

隨著現代社會的飛速進步,計算機已成為人們工作、生活、學習中的重要幫手,這就促使其性能不斷地提高來滿足人們的需要,但同時也隨之產生了一些問題。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,導致它的功率不斷增大,發熱量驚人上升。CPU溫度過高將會影響計算機的可靠性及穩定性,Intel和AMD兩大巨頭的CPU產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 ℃它的穩定性將降低10%。所以在CPU芯片上加裝散熱器將產生的熱量散發出去,使其維持在正常工作范圍內,成為現今研究的一個熱點。

目前,計算機使用最多的CPU散熱方式為風冷散熱,它是最為傳統的,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出來,再通過風扇轉動,加強空氣流動,通過強制對流的方式將散熱片上的熱量傳至周圍環境。風冷式散熱法的主要優點是結構簡單,價格低廉(比較其它散熱方法),安全可靠,技術成熟。所以適合廣大一般用戶。

依據散熱片的材料,市場上的風冷散熱器主要有全鋁、全銅和銅鋁復合式三種。一般說來,銅的導熱率比鋁要高,但并不是全銅的散熱器就比鋁的和銅鋁復合的好,因為銅雖然在吸熱速度上比鋁快,但在放熱速度上卻恰好相反。銅鋁復合式兼顧了兩者的優點,成為主流產品。

前人的研究[3-7]主要是對平直翅片型風冷散熱器,大多將其放在流速均勻的水平流道中做實驗測試和數值模擬來分析其散熱性能,獲得了一些有益結論。文中對一款典型的銅鋁復合型散熱器的散熱性能進行了實驗測評,散熱器結構如圖1所示。

圖1 散熱器結構圖

1 實驗測試裝置及過程

由于CPU冷卻一般是采用軸流風扇加散熱器的冷卻方式,即射流式。該實驗將散熱器放在圓形截面形狀的風道中進行研究,對散熱器進行射流送風,如圖2所示,風道長度足夠使來流充分發展,以便電球式熱風速計測量風速。采用電阻絲模擬實際的CPU芯片發熱,將其置于保溫盒中,使其產生的熱量幾乎全部由散熱器導出。散熱器與發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熱硅脂,填充散熱片下表面與銅板表面之間的細小縫隙,把CPU所產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,使散熱效果達到最佳。實驗通過接觸式調壓器改變輸入功率和風機送風量,測量在不同功率、不同風速下的CPU表面溫度,利用溫度計測量進出口風溫。

圖2 實驗測試裝置示意圖

2 散熱性能評價方法

Christian Belady[8]提出了對散熱器性能的評價應該標準化,陳希章等[9,10]探索出從散熱器的瞬時儲熱能力和熱阻,以及CPU表面溫度三個方面進行散熱器性能評價的標準方法。瞬時儲熱能力即是迅速吸熱能力,使CPU通電瞬間所產生的高熱量不會將芯片燒壞。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為導熱熱阻與對流換熱熱阻之和。為減少接觸熱阻Rc,在接觸表面涂上導熱硅脂。這部分熱阻相對散熱器自身的熱阻R,可以忽略不計。則散熱器的總熱阻計算公式為:Rt=(Tc-Ta)/Q。其中,Tc,Ta分別為CPU表面溫度和周圍環境溫度;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,計算機工作性能更穩定,更可靠。

3 實驗結果及討論

實驗首先測試了在相同風速條件下,改變輸入功率時散熱器的散熱性能。圖3反映的是風速為1.0 m/s時,功率分別為65 W,86 W,100 W,120 W,130 W時的CPU表面溫度的變化過程。從圖3中可以看出,對模擬芯片加熱后,在開始的一段時間,由于CPU通電瞬間,發熱量很大,CPU表面溫度迅速上升,后逐漸趨緩至穩定值,即達到熱平衡狀態。在相同風速下,輸入功率越大,CPU表面平衡溫度越高,且階躍值越大。當功率從120 W上升至130 W時,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是風速分別為1.5 m/s和2.4 m/s時的散熱全過程,當功率為130 W時,CPU表面最高溫度分別為53.6 ℃和49.6 ℃。可見,風速對散熱器的散熱性能影響較大。

圖3 風速為1.0 m/s時不同功率下CPU表面溫度

圖4 風速為1.5 m/s時不同功率下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價散熱器的最主要方法。圖6即顯示了風速對散熱器散熱性能的影響,在相同功率下,風速越大,CPU表面平衡溫度越低。在低風速下,功率對散熱性能的影響較大;但隨著功率的增大,風速的增加對其性能影響的顯著性降低。當風速達到2.4 m/s時,噪音增加,散熱器綜合性能降低。可見在不同功率下,都存在最優冷卻風速。所以在散熱器上加裝可調節轉速的風扇,那么在CPU閑置時和發熱量低的情況下可以低速運轉,降低了噪音。在CPU滿負荷運行狀態下高速運轉,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發熱量在120 W以下的散熱需求。

圖5 風速為2.4 m/s時不同功率下CPU表面溫度

圖6 不同風速下功率與CPU表面平衡溫度關系曲線

圖7 不同風速下功率與熱阻關系曲線

上述各圖是從瞬間儲熱能力和CPU表面溫度兩個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,風速越大,熱阻越小,風速從1.0 m/s升至1.5 m/s,熱阻減小幅度大;風速從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,且并非風速越大熱阻越小;功率在100~120 W之間時,風速增大對熱阻的降低影響較為明顯,可見在功率較低時采用高風扇轉速,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。在相同風速下,功率從65 W上升至86 W時,隨功率的增大,熱阻明顯增大;功率增至100 W時,熱阻降低,此時散熱器的性能得到了很好地發揮;功率繼續增大,熱阻增大的幅值降低。可見相對風速對散熱性能的影響,功率對其影響較小。

4 結 語

通過對該款散熱器性能的測試,在Intel設計要求下,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。但并非風速越大其性能越好,風速增大所產生的噪音,降低了散熱器的綜合性能。所以應該在散熱和靜音之間找到平衡點,以保證計算機的整體性能。實驗所設計的的測試平臺具有通用性,為后面對其結構上的進一步研究打下了基礎。雖說現在許多新型散熱器不斷涌現,但因其技術的不成熟,價格昂貴等原因都不能得到廣泛應用。傳統的風冷散熱器技術已經相當成熟,對其進行結構上的改進,使其滿足現今日益飆升的發熱量是可行的,且有一定的研究價值。

參考文獻

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