探索液浸式散热

技术分类: 微处理器与DSP  消费电子设计  | 2006-10-10
作者:安徽财经大学现代教育技术中心 陈忠民

       一、山穷水复疑无路——各种散热方式面面观

  为了解决日益严重的计算机散热问题,一些大型计算机公司或者进行自主研发,或者以委托开发和制造的方式,力图在解决电脑散热方面保持竞争优势,从全球来看,专用散热器制造业正在发展成为一个庞大的产业,美国、韩国、日本和德国等国家都出现了专业散热器制造商,如Alpha、Coolermaster、Globalwin、Swiftech、Thermalright、Thermaltake和Zalman等,产品涵盖风冷、水冷和热管等多种类型。

  根据热力学原理,液体的导热效率远远大于空气的导热效率。基于这种理论,水冷、热管和压缩机制冷等管道散热技术逐步应用于CPU和GPU等大功率器件,但所有这些散热技术都存在着种种局限性。

       风冷散热的种种弊端

  风冷散热效果与噪音之间的矛盾越来越难以调和,要提高散热效率必然要求风扇的数量的增加或者风扇转速的提高(目前CPU风扇的转速通常在5000rpm以上),而这样势

必造成严重的噪声污染。在学校机房和网吧等电脑密集场所,噪声已经超过50分贝。对于文字录入员、程序员、科研人员等人来说,长期工作在噪声环境中所造成的听力下降、情绪烦躁甚至神经衰弱等现象已经得到越来越多的关注。临床试验证明,在噪音较大的办公室里工作的人,体内肾上腺素水平明显升高,久而久之会对心脏形成伤害。计算机噪音已成为威胁白领阶层的隐形杀手。

  风冷还是导致PC可靠性下降的一个主要原因。风扇的转动带动灰尘随气流进入计算机,沉积在计算机板卡上,如不定期进行清扫和维护,可能造成死机、板卡烧毁等灾难。如果环境的湿度过高或含有腐蚀性气体,还容易导致元件引脚或接插件触点锈蚀,接触不良,严重的潮湿还会导致芯片因“爆米花效应”而失效。散热效果更强的散热器体积不断增加,过重的机械压力对脆弱的芯片构成威胁。

  散热风扇的电能消耗也是客观的。以风扇的功率为1W计算,5只风扇每日工作8个小时,1年的耗电量为1W/只×5只×8小时/天×5天/周×52周/年=10400Wh≈10kWh,也就是说光散热风扇一项,一台电脑每年要多消耗10度电。保守估计中国至少5000万台PC,光计算机散热风扇的耗电量1年就是5亿度,在能源紧缺的今天确实是个不算小的数字。

       水冷散热的普及难度

  对发热量很大的处理器等元器件来说,传统的风冷无法满足散热要求,选择水冷也是迫不得已的事情。在使用水冷方面,广大DIYer们始终走在前面,而正规大厂只有APPLE和NEC分别在台式机和笔记本电脑中采用了水冷散热。

  水冷散热技术含量相对较低,不存在技术门槛,很容易推广和普及。但就目前的情况而言,水冷设备的造价为风冷的3~10倍,而且水冷系统利用微型电泵实现水循环(图1),需要消耗一定的电能。因此,从一次性投资和运行费用两个方面进行核算,水冷散热的整体拥有成本显然高于风冷。

 液体冷却原理图

                                                                图1 液体冷却原理图

       热管散热的高贵身躯

  热管热交换器(Heat Pipe Heat Exchanger)1964年诞生于美国洛斯-阿洛莫斯国家实验室(Los Alamos  National Laboratory)。作为一种无噪音的散热技术,热管散热器于20世纪80年代开始用于电子设备的散热,近两年来在PC中的应用明显加快了步伐。

  热管基于相变传热原理,如图2。热管散热器具有较高的传热效率,其导热能力约为同截面铜导体的2000倍左右。但是,要保持热管散热器正常工作,蒸发端与冷凝端之

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