個人電腦處理器被動散熱研究

李燕平

福建省僑興輕工學校，福建 福清 350301

目前的主流電腦在性能上已能滿足大多數人的需求，人們在看中電腦性能的同時，靜音也成為一個用戶看中的指標。伴隨電腦硬件制程的發展，CPU等產品都加入了功耗自動調控，可以通過在應用空閑時自動降低頻率電壓等方式降低熱量，而對于專業的應用如視頻處理、作圖渲染、大型游戲等，需要CPU等部件長期高負荷運作，需要散熱器風扇高速旋轉來帶走熱量，隨之帶來的高噪音或多或少影響到工作的效率，本文將討論以被動散熱的形式降低噪音。

被動散熱就是指散熱器在不需要主動散熱設備的條件下(如風扇)進行被動式的散熱。與傳統主動式風冷散熱方法不同的是，風冷散熱的效果首先要取決于環境溫度的高低，隨后是風扇所產生的風壓大小，而被動散熱就只剩下環境溫度這一項影響散熱效果的因素，在這種前提下，發熱體與環境溫度的接觸面積越大，散熱的效果也就越強，因此被動散熱對散熱片的設計提出了高要求。

1 傳統散熱技術

傳統的CPU等芯片散熱主要采用鋁擠、塞銅等技術。

鋁擠工藝是將高溫的金屬液態材料流入特制的耐高溫容器中，制造出毛胚，然后再在毛胚的基礎上進行裁剪、剖溝、拉伸而形成。

由于銅的導熱系數比鋁高，塞銅技術通過改變散熱器底部與發熱源接觸面的材料使銅先與CPU接觸快速導熱然后再與鋁接觸散熱，讓散熱器達到更好的整體散熱性能。

壓固技術，這種技術生產的散熱器一般都為放射碗狀型，葉片均勻的散開，這種技術是將幾十片一樣的散熱鰭片在底部打孔用一個螺栓把它們穿在一起，然后再擰緊螺絲。這類散熱器一般對CPU周邊配件起到輔助降溫度作用。

雖然這些散熱技術應對正常的CPU散熱已足夠，但對于被動散熱來說其顯然還無法達到要求。

2 熱管散熱技術

熱管是一種高效率的導熱材料，導熱能力是純銅的上百倍，它是利用了熱傳導原理與致冷介質的快速熱傳遞性質，通過在全密封的真空管內的液體的蒸發與凝結來傳遞熱量，具有極高的導熱性、良好的等溫性。常見的熱管一般由管殼、吸液芯和端蓋組成，制作方法是將熱管內部抽成負壓狀態，再注入沸點很低容易揮發的液體，管壁有吸芯液，由毛細多孔材料構成，熱管一端為蒸發端，另一端為冷凝端，當熱管一段受熱時，毛細管中的液體迅速蒸發，蒸汽在微小的壓力差下流向另外一端，并且釋放出熱量，重新凝結成液體，液體再沿多孔材料靠毛細力的作用流回蒸發段，如此循環不止，熱量由熱管一端傳至另外一端，這種循環是快速進行的，熱量可以被源源不斷地傳導開來。

早期熱管散熱主要應用于高端領域，現在隨著成本的降低，主流電腦也可以享受到熱管散熱的高效能，因此熱管散熱器正好符合被動散熱器設計的要求。

3 被動系統散熱器的設計

被動散熱系統中，發熱體與環境溫度的接觸面積越大，散熱的效果也就越強，因此，被動散熱系統需要大面積的散熱片，同時將熱管穿過底座與鋁片。熱管與鋁片和底座采用焊接連接。散熱器的輪廓與目前的塔式熱管散熱器相似。

目前市面上一般的塔型熱管散熱器，其每片鋁片間距相對較小，必須使用一定風量的風扇才能夠將散熱片吹透。而被動式散熱由于設計出來的散熱器本體沒有外掛風扇，為了保證熱量能夠快速流通，每片散熱鋁片的間距不能夠太密集。同時，考慮到散熱器最終要裝在機箱里使用，整體高度不能超過機箱的寬度，過多的散熱片鋁片堆積也會造成散熱器重量加重增加主板的負擔，通過對市面上幾款塔式熱管散熱器的對比測試，將散熱鋁片間的間距控制在3mm，鋁片數量定在30片，散熱器整體高度在155mm內。

圖1 底座設計圖

圖2 散熱器設計三視圖

減少了鋁片數量，為了達到大的散熱面積，必須適當增加每片鋁片的單位面積。使用被動散熱時，熱量在散熱鋁片之間囤積，在鋁片上開幾個槽以使熱量得以快速散發。

測試的CPU采用高端電腦中較常用的I7系列CPU，頻率為3GHz，經過功耗儀測試其滿載功耗達到150W，假設其全部用來發熱，將產生Q=pt=150×3600=540000J的熱量。測試時環境溫度為20℃，先采用不裝入機箱內的裸機方式測試其溫度，測試時記錄空閑時的溫度及使用軟件滿載1小時模擬高負載時的溫度。

CPU表面 核心1 核心2 核心3 核心4空閑 53 51 52 53 51滿載1小時 82 82 81 82 81

這個成績可以滿足日常工作的使用，相信通過改進熱管與底座及散熱片間的焊接工藝，將會得到更好的散熱效果。后面將測試裝入機箱后的效果。

一般高端電腦機箱都會配置風扇，為被動式散熱系統設計的風道，可以使用前后兩個風扇，通過前風扇將冷空氣帶入機箱，一部分空氣給顯卡進行熱交換，另一部分冷空氣在經過CPU散熱升溫后通過機箱后部或上部的風扇排出機箱外，不會造成熱量在箱內的積累。

測試時將機箱風扇設置為恒定1000轉。

CPU表面 核心1 核心2 核心3 核心4空閑 50 51 50 51 50滿載1小時 73 76 76 75 76

從測試結果可以看出，在機箱環境內，CPU溫度與裸機測試時相比有一定的降低，尤其是滿載時的溫度有較大的降低。一般室內的環境音量在33dBA左右，1000轉的風扇所產生的噪音與環境噪音相差不大，所以在電腦工作時不會有讓人不舒服的噪音產生。

經過實驗該套系統完全可以勝任目前主流高性能平臺的日常及大負荷使用，穩定性良好。