CPU常用散热方式.doc

主要的散热降温方式有风冷、水冷、热管制冷、半导体制冷、压缩机制冷、液氮制冷等。 风冷 风冷是最常见的散热方法，就是用一块导热性能比较好的散热片（一般是铝或铜）通过特殊的介质（通常是导热硅脂）紧贴住发热量很大的芯片，然后再在散热片上固定一个风扇，不停地产生强劲的风力，把散热片上的热量带走，从而达到对芯片散热的目的。 Dell计算机专用的散热风斗。 水冷 水冷散热也是使用散热片对芯片散热，与风冷不同的是，它是将水管固定在散热片上，当芯片发出的热量传到散热片上后，通过水管中反复循环的水流将热量带走。其散热效果较风冷散热有明显优势，但也存在着较大的弊端：首先，由于不停地将散热片上的热量带走，水温会逐渐升高，散热的效果会越来越差；其次就是漏水问题，一旦漏水，后果将不堪设想。 虽然水冷散热具有功率消耗较小、工作噪声很小、可以利用多种方式完成散热过程的优势，但是其安装过程对大多数用户而言过于复杂，这是影响它普及的一个主要因素。在水冷散热器刚出现的阶段，有些厂商预测未来将是水冷的天下。但是经过了这么长时间，水冷仍然只在少部分用户中使用，而未跻身主流行列。究其原因，虽然从散热性能上看还是以水冷占优势，但是它价格偏高，占空间大，且水(或者其它替代液体)会有变质和内部材料氧化的问题。此外，在使用水冷方式散热时，一定要注意水气凝结现象。水气凝结现象是由于空气中的水分遇冷后聚集起来，最后变成水珠。在常温下的水冷系统中，是不会出现水气凝结现象的，但如果使用冰水或搭配致冷器使用，水气凝结就可能发生，这将造成死机或硬件损坏，所以是不能忽视的。但只要我们做好相应的措施，水气凝结就可以避免发生。热管制冷 热管制冷运用了热力学的一条基本原理：当有温差存在时，热量必然会从高温物体传到低温物体，或从物体的高温部分传至低温部分。热管是将一真空金属管置于散热片中，内置一吸热芯及沸点很低的液体。工作时，由于温度升高，一端的液体吸热汽化，飞速到达管子的另一端，而后因这一端温度较低，从而放热液化，并流回去。这样通过液体在两态之间的变化及在管子两端之间的流动，有效地散去了从芯片吸收的热量，达到了较好的散热效果。但是热管制作成本较高，不易推广，市面上的产品有CoolerMaster的HHC- L61等。 半导体制冷 半导体散热是使用特殊的半导体材料（如硅片），制成半导体散热元件，根据热电效应，一面制冷一面发热，发热端通过“风冷”或“水冷”方式将制冷端从芯片吸收的热量带走，从而达到对芯片散热的目的。半导体散热的危险性也是相当大的，一旦制冷端的温度降至一定程度就会产生结露的现象，一旦发生短路，想哭都来不及！压缩机制冷液氮制冷现今我们所了解的散热方式有如下几种：风冷、水冷 （液冷）、半导体制冷、相变制冷（相变系统制冷、干冰+乙醇制冷(固态二氧化碳)和液态氮气制冷(LN2)）。风冷：不用多说，以成熟的型材切割及抛光技术、低廉的价格现在正被大家广泛的应用到PC内部的各个角落。但由于风扇的转速、风量、散热片材料等诸多原因，目前风冷散热设备的散热效果与噪音的平衡点问题一直是众超频玩家口中的诟病。水冷（液冷）：以低噪音和还算不错的效率填补着风冷市场的空白。不过需要较强的动手能力和水冷散热设备的密闭性问题也吓退了不少DIYer，其高价相对风冷来说也基本没有可比性，这些劣势也就是它目前仍没有被广大用户所认可的重要原因。半导体制冷片：“N.P型半导体通过金属导流片链接，当电流由N通过P时，电场使N中的电子和P中的空穴反向流动，他们产生的能量来自晶格的热能，于是在导流片上吸热，而在另一端放热，产生温差”这就是半导体制冷片的制冷原理。只要高温端的热量能有效的散发掉，则低温端就不断的被冷却。在每个半导体颗粒上都产生温差，一个制冷片由几十个这样的颗粒串联而成，从而在制冷片的两个表面形成一个温差。利用这种温差现象，配合风冷/水冷对高温端进行降温，使得制冷片的散热效果出奇的好但是让制冷片全速运作的前提是供电必须要稳定，也就是说你的电脑需要一个好电源，或者你需要为制冷片单独设立一个供电设备，这样额外的花费有增加了许多，而且如果高温端的散热不到位的话会适得其反。相变制冷：干冰制冷和液态氮气制冷：这两种都是非常极端，非狂人级人物不可及的散热方式。它们的共同特点都是利用相态变化来带走CPU表面的热量（干冰-升华-二氧化碳、液氮-气化-氮气）。虽然这两种相变制冷方式的效果都非常的好（干冰可将温度降至零下70摄氏度以下，液氮最低可以降到零下100度左右），冷媒价格也非常便宜，但由于干冰和液氮的的不易存放性（十公升的液氮在常温下十分钟就蒸发没了），而且在实际操作过程中很容易会使操作者冻伤，以及操作的烦琐（包括开放式环境、存放干冰/液氮的容器等），使得这两种极端冷却手段只有在某些极限超频的情况下才被委以重用。相变系统制冷：与之前说到的干冰和液氮制冷一样，都是利用相态变化来进行降温。不同的是相变系统制冷将整个相态变化过程包含在一个以压缩机为主体的模式组里（其实跟冰箱的道理是一样的），这样既解决了使用空间占用问题，也解决了在实际操作过程中可能会遇到的安全问题。当然，经常浏览我们网站的朋友可能还记得几篇有关国外使用一个或一个以上的压缩机组成压缩机组来进行极限超频的文章，这些都可以算是相变系统制冷的延伸，只不过相变系统是将压缩机包含在机箱内部或与机箱一体。虽然不能将温度降至干冰和液氮那么低，但也能达到零下40-60摄氏度左右的温度并且能够长时间使用，单凭这一点就足以让我们这些超频爱好者心驰神往了。液态氮降温一种使用液态氮为主要降温剂的降温方式。优点：可将迅速将cpu冷却至零下130摄氏度以下。缺点：操作复杂、容易结霜。操作时仍然采用液态氮降温器皿接触方式，并不是像大多数人所说的那样采用将cpu浸入液态氮的方式。压缩机制冷采用小型制冷压缩机为主要制冷工具的降温方式。优点：制冷量大降温效果显著、安全。缺点：造价高、噪音大、容易结霜、需要有特制的机箱。压缩机制冷又分两种：直接接触式（原理类似于冷凝片）和压缩机冷风式（原理类似于空调）。现在市面上普遍采用的是压缩机风冷式。Tt Xpressar压缩机制冷机箱= 發燒級2009-08-04 15:39Xpressar RCS100机箱是以Xaser VI机箱为载体内置Xpressar RCS100微型压缩机，其外观设计和内部结构基本与Xaser VI机箱保持一致，二者最大的不同在于Xpressar RCS100机箱内置了一套Xpressar RCS100微型压缩机制冷系统可以说这套系统就是这款机箱的灵魂所在，也是这款机箱命名的原因。机箱PK冰箱 Tt Xpressar压缩机制冷机箱实测驱动之家原创 作者：良宵 编辑：良宵2009-04-23 10:52:20 91457 人阅读内容导航: 测试结果及总结测试中我们采用了TDP功耗130W的Intel i7 920处理器，这款CPU默认频率下发热量就以不可小视，超频之后更是热情似火，没有一款优秀的散热设备是无法驾驭这匹烈马的。EVEREST测试结果EVEREST测试结果通过对比我们发现Tt Xpressar RCS100在CPU超频前后的测试中温度基本没有变化，据笔者分析这肯定跟我们前面提到的压缩机IC控制单元有关，通过这个装置压缩机可以根据CPU的功耗自动提高或降低压缩机的制冷功率，达到散热效率与功耗噪音的完美平衡。U120E和水冷系统在CPU超频后温度都有不同幅度的提高，而原装风扇的表现就很差了，原本在默认频率下温度就相当高，超频后更是无法通过满载测试。Tt Xpressar RCS100系统展示了其强大的散热性能，完全超越了传统风冷和水冷散热方式，CPU温度低的令人难以置信，甚至一度使我们人为温度传感器是不是除了故障，面对这个测试成绩，我们唯有竖起大拇指压缩机制冷系统真不是盖的！Tt Xpressar RCS100机箱外观豪华大气，设计用料考究，其内部采用的微型压缩机制冷系统散热性能更是无比强大。Tt Xpressar RCS100机箱的技术含量和制作工艺都远高于水冷散热系统，因此在成本上也要高于水冷散热系统，该款产品现媒体价6080元，着实不低，而且需要在Tt专卖店订购并由专业人员协助安装。毕竟其主要适用于对CPU性能有极致追求的极限超频玩家，和追求高效能的游戏玩家。作为Tt独家掌握的技术，压缩机制冷技术着重于散热效能的提升, 其性能大幅超越水冷及风冷，是想在日常电脑应用中体验极限超频快感玩家的最佳选择。 一般来说，从热管的表面很难看出它内部采用的是怎样的结构。小编我相信，关注这篇文章的读者一定看过许多处理器、显卡散热器的评测文章。对于高级发烧用户的你来说，一定对热管散热的原理有滔滔不绝的谈资。但是如果你真的想知道散热器上的一根根热管内部采用怎样的结构，那么只能暴力切开才能一窥究竟。虽然这是极具暴力的破坏性测试，但是正如你此刻预想的那样，导热管内部的结构和所使用的技术决定了这些现代处理器散热器的换热性能。今天小编我就来跟你聊聊这事儿。 正如你所知道的，现在的热管都是金属结构，这样可以有效的进行换热，让热量从一端传导到另一个端。它是一个封闭的结构，内部存有一些容易蒸发的液体，然后通过内部液体的蒸发与冷凝的回流进行热量的搬运。热管内部是真空的，这样在低气压下，内部的液体就可以在很小的温差下得以沸腾和蒸发。液体会非常自然的朝较冷地方流淌。其热管之芯的内部结构，对于液体回流的性能有着决定性的作用。热管之芯的内部，大多都有一些细小的毛刺和孔洞，利用水的张力和虹吸作用，可以加速液体的回流。虹吸作用非常好理解，例如你把毛巾放在水盆的边沿，触及到水的毛巾会变湿，但是毛巾其他部分未真正触及水也会变湿，这就是因为毛巾纤维内部有很多空隙，在虹吸作用下，将水从毛巾一端抽到了另一端。 由此热管的导热效率一个关键的因素，就是内部的结构设计。谁的设计越巧妙，那么他的导热效率就越高，内部的回流液体就越能摆脱地心引力，在热管内部任意流淌。而一般消费级的商业用途中，热管的内部结构分为三种：热熔渣结构、沟槽结构、多重金属网孔。热管技术是1963年美国LosAlamos国家实验室的G.M.Grover发明的一种称为“热管”的传热元件，它充分利用了热传导原理与致冷介质的快速热传递性质，透过热管将发热物体的热量迅速传递到热源外，其导热能力超过任何已知金属的导热能力。热管技术以前被广泛应用在宇航、军工等行业，自从被引入散热器制造行业，使得人们改变了传统散热器的设计思路，摆脱了单纯依靠高风量电机来获得更好散热效果的单一散热模式，采用热管技术使得散热器即便采用低转速、低风量电机，同样可以得到满意效果，使得困扰风冷散热的噪音问题得到良好解决，开辟了散热行业新天地。现在常见于cpu的散热器上。热管之芯 从热力学的角度看，为什么热管会拥有如此良好的导热能力呢？物体的吸热、放热是相对的，凡是有温度差存在的时候，就必然出现热从高温处向低温处传递的现象。从热传递的三种方式来看（辐射、对流、传导），其中热传导最快。热管就是利用蒸发制冷，使得热管两端温度差很大，使热量快速传导。一般热管由管壳、吸液芯和端盖组成。热管内部是被抽成负压状态，充入适当的液体，这种液体沸点低，容易挥发。管壁有吸液芯，其由毛细多孔材料构成。热管一段为蒸发端，另外一段为冷凝端，当热管一段受热时，毛细管中的液体迅速蒸发，蒸气在微小的压力差下流向另外一端，并且释放出热量，重新凝结成液体，液体再沿多孔材料靠毛细力的作用流回蒸发段，如此循环不止，热量由热管一端传至另外一端。这种循环是快速进行的，热量可以被源源不断地传导开来。 从字面上解释，这种热管的内部结构就像是烧焦的蜂窝煤或是热炉渣。看似粗糙的内壁中，遍布各种细小的孔洞。他们就像是人身体上的毛细血管一样。热管内的液体会在这些小孔中穿梭，形成强大的虹吸力量。事实上，制作这样热管的工艺比较复杂，将铜粉加热到一定温度，在其未完全融化的之前，铜粉颗粒额边沿会首先融化，粘连四周的铜粉。这样就形成了现在你所见到的镂空结构。从图中看，也许会认为它非常绵软，但事实上，这种热熔渣既不绵软也不松散，而是非常坚固。因为它是铜粉经过高温加热的物质，所以在他们冷却之后，就恢复了金属本来的坚硬质感。另外从制造的角度看，这种制程和结构的热管制造成本较高。热熔渣结构 典型的热管由管壳、吸液芯和端盖组成将管内抽成13(10负110负4)Pa的负压后充以适量的工作液体，使紧贴管内壁的吸液芯毛细多孔材料中充满液体后加以密封。管的一端为蒸发段(加热段)，另一端为冷凝段(冷却段)，根据应用需要在两段中间可布置绝热段。当热管的一端受热时毛纫芯中的液体蒸发汽化，蒸汽在微小的压差下流向另一端放出热量凝结成液体，液体再沿多孔材料靠毛细力的作用流回蒸发段。如此循环不己，热量由热管的一端传至另端。热管在实现这一热量转移的过程中，包含了以下六个相互关联的主要过程：1、热量从热源通过热管管壁和充满工作液体的吸液芯传递到（液汽）分界面；2、液体在蒸发段内的（液汽）分界面上蒸发；3、蒸汽腔内的蒸汽从蒸发段流到冷凝段；4、蒸汽在冷凝段内的汽液分界面上凝结：5、热量从（汽液）分界面通过吸液芯、液体和管壁传给冷源：6、在吸液芯内由于毛细作用使冷凝后的工作液体回流到蒸发段。 我本将心照明月，奈何明月照沟渠。这种热管的内部结构设计就像是一条条平行的沟渠一样。它的作用也是像毛细血管一样，回流的液体通过这些沟槽迅速在热管中进行传导。但是根据开槽的精密细腻情况，根据制程的工艺水平和沟槽的方向等，会对热管的散热造成很大的影响。从生产成本的角度来看，这种热管的制造相对简单，更容易制作，制造成本相对低廉。但是对于热管沟槽的加工工艺要求更高。一般说来，顺着液体回流的方向是最好的设计。由此从理论上来说，不如前者的散热效率高。沟槽结构 热管的相容性是指热管在预期的设计寿命内，管内工作液体同壳体不发生显著的化学反应或物理变化，或有变化但不足以影响热管的工作性能。相容性在热管的应用中具有重要的意义。只有长期相容性良好的热管，才能保证稳定的传热性能，长期的工作寿命及工业应用的可能性。碳钢水热管正是通过化学处理的方法，有效地解决了碳钢与水的化学反应问题，才使得碳钢水热管这种高性能、长寿命、低成本的热管得以在工业中大规模推广使用。影响热管寿命的因素很多，归结起来，造成效管不相容的主要形式有以下三方面，即：产生不凝性气体：工作液体热物性恶化：管壳材料的腐蚀、溶解。1、产生不凝性气体 由于工作液体与管完材料发生化学反应或电化学反应，产生不凝性气体，在热管工作时，该气体被蒸汽流吹扫到冲凝段聚集起来形成气塞，从而使有效冷凝面积减小，热阻增大，传热性能恶化，传热能力降低甚至失效。2、工作液体物性恶化 有机工作介质在一定温度下，会逐渐发生分解，这主要是由于有机工作液体的性质不稳定，或与壳体材料发生化学反应，使工作介质改变其物理性能，如甲苯、烷、烃类等有机工作液体易发生该类不相容现象。3、管壳材料的腐蚀、溶解、工作液体在管壳内连续流动，同时存在着温差、杂质等因素，使管壳材料发生溶解和腐蚀，流动阻力增大，使热管传热性能降低。当管壳被腐蚀后，引起强度下降，甚至引起管壳的腐蚀穿孔，使热管完全失效。这类现象常发生在碱金属高温热管中。 更多更普遍的热管散热器内部使用的是这种多重金属网孔设计。从图中，你不难看出，这热管芯里面的絮状东西，就像是一顶戴糟了的破草帽。一般这种热管内部使用的是一种由铜线制作的金属织物。细小的铜线之间存在许多空隙，但是织物的结构又不会让织物错位阻塞热管。如果你刚刚切开一个热管，你能明显发现，里面的多重金属网会显得非常潮湿。你用手摸到的液体，就是热管内部的回流液体。 从成本的角度看，这种热管的内部结构相对简单许多，制作起来也更加简单。仅需一只普通铜管，填充这些多重金属网孔织物即可。从理论上来说散热效果不如前面二者。多重金属网孔1、热管零部件及其加工：热管的主要零部件为管壳、端盖(封头)、吸液芯、腰板(连接密封件)四部分。不同类型的热管对这些零部件有不同的要求。2、管壳制造：热管的管壳大多为金属无缝钢管，根据不同需要可以采用不同材料，如铜、铝、碳钢、不锈钢、合金钢等。管子可以是标准圆形，也可以是异型的，如椭圆形、正方形、矩形、扁平形、波纹管等。管径可以从2mm到200mm，甚至更大。长度可以从几毫米到l00米以上。低温热管换热器的管材在国外大多采用铜、铝作为原料。采用有色金属作管材主要是为了满足与工作液体相容性的要求。3、端盖的加工：热管的端盖具有多种结构形式，它与热管舶连接方式也因结构形式而异。端盖外圆尺寸可稍小于管壳内径，配合后，管壳的突出部分可作为氩弧焊的熔焊部分，不必再填焊条，焊口光滑平整质量容易保证。旋压封头是国内外常采用的一种形式，旋压封头是在旋压机上直接旋压而成，这种端盖形式外型美观，强度好、省材省工，是一种良好的端盖形式。4、热管芯结构：热管芯是热管的一个重要组成部分。吸液芯的结构形式将直接影响到热管和热管换热器的性能。近年来随着热管技术的发展，各国研究者在吸液芯结构和理论研究方面做了大量工作。写在最后 看完此文也许你会慨叹，小小的热管也有如此多的学问。并不是所有的热管内部结构都相同，热管的数量也不一定真的能完全左右散热的效率。知名大厂的高端产品也并不一定使用的就是真材实料的高品质热管。最后还是那句话，请各位看官在购买之前擦亮眼睛。电子散热关系到电子设备的可靠性和寿命 ,是影响当今电子工业发展的一个瓶颈.伴随着电子产业高性能、微型化、集成化的三大发展趋势 ,散热问题越来越突出. 尤其是对于热负荷敏感度较高的CPU 而言 ,热量在芯片处的累积将严重影响其稳定性和使用寿命.有研究表明 ,单个电子元件的工作温度如果升高10 ,其可靠性则会减少50 %;而 CPU失效问题的55 %都是由于过热引起的。目前，高频的 Pentium4 3.2 E已突破100 W功耗大关,Smith2field核心Pentium D双核处理器的功耗更是攀至130 W.根据Intel的首席技术官Patrick Gelsinger的预测,如果芯片中的晶体管数量以现在的速率一直增长下去 ,到 2015 年就要和太阳表面一样热 ,这当然是不可想象的.因此 ,为了使 CPU 发挥最佳性能并保证其可靠性 ,研究实用高效的芯片冷却方法也就成为了日益重要和紧迫的问题. 本文将对CPU 散热技术的最新研究进展进行综述。1CPU散热方式及存在问题根据电子学理论 ,过热所导致的“电子迁移”现象是损坏 CPU 内部的芯片主要原因.“电子迁移”是指电子流动所导致的金属原子迁移的现象.在芯片内部电流强度很高的金属导线上 ,电子的流动给金属原子一个动量 ,一旦与金属原子碰撞 ,使得金属原子脱离金属表面四处流动 ,结果就导致金属表面上形成坑洞或土丘. 这是一个不可逆转的永久性伤害 ,如果一直持续这个慢性过程 ,到最后就会造成核心内部电路的短路或断路 ,彻底损坏 CPU.“电子迁移”现象受许多因素影响 ,其中温度因素起了决定性的作用.温度的升高会使自由电子的动能大大增加 ,对金属原子的碰撞也更强烈. 同时 ,随着温度的增加 ,金属原子本身的热运动也增强 ,电子迁移现象就越容易发生. 这就是为什么要把 CPU 的温度维持在 50 以下的原因.（1） 风冷法.在 CPU 上安装散热片以扩大散热面积 ,并在散热片上安装一个小风扇 ,让空气强迫对流带走热量.这种散热方式的优点是简单实用 ,且价格低廉.但其缺点在于: 冷却效率低 ,最多只能排出 CPU 废热的 60 %,因此仅依靠传导和对流的风冷法散热器已经接近了其导热极限; 随着风扇的功率和转速的增大,产生的噪声也随之增大; 由于风扇是运动部件 ,比较容易损坏.（2） 水冷法.它是用密封性良好的水槽 一般用铝或铝合金制成 贴在 CPU 表面 ,然后通以水循环系统 ,将 CPU 发出的热量带走. 这种方法的散热效率比风冷散热高,但它需要较复杂的水冷却系统,并且使用不便,安装麻烦,而且还有漏水和结露的隐患.（3） 半导体致冷片法. 它是基于帕尔贴效应而实现的 ,通常采用陶瓷封装的半导体串联方式.其工作原理实际上是热量转移 ,当接通直流电时 ,半导体的冷面温度迅速降低 ,甚至可降至 - 10 ,而另一面的温度则迅速上升 ,从而达到降低表面温度的作用.半导体致冷的优点是无需任何制冷剂 ,寿命长,安装简单 ,可通过控制电流实现高精度的温度控制.它同样也存在缺点: 制冷效率低; 工艺不成熟、价格高; 容易因冷面温度过低而出现的 CPU 结露 ,从而导致短路的现象.因此 ,随着芯片尺寸的不断减小、CPU 频率的升高和散热量的迅速增加 ,需要新型的 CPU 散热器来替代原有的散热技术. 以下主要介绍 3 种新型CPU 散热技术:热管散热技术、微通道散热技术和制冷芯片技术.分享到: QQ空间 腾讯微博 腾讯朋友 分享0 收藏0 转发到微博 举报 moon03 moon03 当前离线 最后登录2005-7-2在线时间0 小时UID2342211注册时间2004-6-26阅读权限60主题27金钱1224 上尉上尉, 积分 1425, 距离下一级还需 1575 积分帖子400积分1425金钱1224 精华0 串个门 加好友 打招呼 发消息 2# 发表于 2007-9-28 13:03:20 |只看该作者 2 新型 CPU散热技术2.1 热管散热技术热管是以相变来强化换热的技术 ,它利用封闭在真空管内的工作物质 ,反复进行沸腾或凝结来传送热量.典型的热管依次可划分为蒸发段、绝热段和冷凝段三部分 见图 1 . 管内装入的液体称为工作液 ,是热量传递的介质.首先 ,蒸发段的工作液从外部吸收热量后沸腾成为气相 ,在气压差的驱使力作用下进入冷凝段 ,遇到较冷的管壁便凝结为液体并释放热量;接着 ,通过热管中心处设置的吸液芯 ,利用它与工作液的表面张力所产生的毛吸力再将工作液送回到蒸发段.反复进行上述过程 ,从而不断将蒸发段的热量传送到冷凝段 ,再通过散热片传递出去.由于热管是通过相变潜热来传递热量 ,其导热性能很高 ,甚至是相同尺寸铜管的几十倍以上 ,因此适合在狭小空间中高热量的排放 ,在笔记本电脑中已经得到应用.Cotter 首先提出微型热管 见图 2 的概念.该文提出在芯片上埋入微细热管 ,平均管路直径为10500 m ,长为数毫米至数厘米之间. 此热管不需要毛细结构 ,断面成多角形状 ,通过内腔尖角区作为液态工质回流的通道 ,以及通过尖角区产生的轴向毛细压差将液态工质从冷凝段压回蒸发段 ,从而完成工质的循环.由于微热管还兼具微槽道冷却的优点 ,因而在小空间下的强化换热中很有前景.有报道称 ,利用 IC工艺制成的多根微型热管阵列 ,其冷却功率可达 200 W/cm 2.由 Maidanik 所发明回路热管是另一种形式的热管.由于它能在小温差、长距离的情况下传递大量热量 ,故在航天航空方面应用比较广泛 ,在电脑和电子器件应用中也有着非常广阔的前景.自 2001 年的首次实验以来 ,涌现了许多 50 g 左右的 LHP 散热器 ,这些散热器的热通量大致在 2530 W.人们也在测试一种新型的6 mm直径LHP散热器 ,其最大散热通量为 70 W 左右 .但由于LHP 主要是近20 年内发展起来的新技术 ,在理论和应用方面还需要进一步的深入研究.综上所述 ,热管的优势在于其优良的导热性和等温性,热响应速度快 ,质量轻且结构简单.此外由于热管没有运动部件 ,运行可靠、耐用 ,并且能在失重状态下工作 ,传热距离长且没有方向的限制. 当然 ,传统热管在设计上同样也存在毛细管、飞散、沸腾、音速和黏性上的限制 ,当尺寸变小时 ,表面张力与相变化对小尺寸效应的综合考虑 ,以及用多边形通道结构的设计来取代目前普遍采用的三角形流道 ,都是热管设计分析的重要课题.举报 沉珂_168 沉珂_168 当前离线 最后登录2004-10-6在线时间0 小时UID2312816注册时间2004-3-11阅读权限60主题10金钱1237 上尉上尉, 积分 1391, 距离下一级还需 1609 积分帖子305积分1391金钱1237 精华0 串个门 加好友 打招呼 发消息 3# 发表于 2007-9-28 13:05:20 |只看该作者 2.2 微通道散热技术微通道热沉的概念最早由 Tuckerman 和 Peace于 1981 年提出的 ,它是由具有高导热系数的材料构成.根据 Riddle 等 的研究:流量一定时 ,矩形通道中流体总的热传导系数与通道水力直径成反比 .随着通道直径的减小 ,换热系数相应增加 ,同时系统的散热面积与体积比也显著增加. 因此尽管体积不断减小 ,散热能力反而得到极大的提高.从图3 中可看出 ,两种具有相同长度和高度的微通道集热器 ,当微管道宽度为 10 m 时 ,CPU 温度为 65,而当宽度为100m 时 ,CPU 温度则高达85 ,显然宽度越小对散热越有利 ,因此 ,尺寸因素对微通道散热器的影响是至关重要的 ,而这又直接影响了CPU 的运行性能.在微通道散热器领域 ,比较成熟的应属美国Cooligy 公司推出的产品.其生产的水冷式芯片 ,采用了主动微通道冷却技术 Active MicroChannelCooling , AMCC .这项新技术中包含 3 个主要部分:微管道集热器 ,用于传送具备吸热功能的液体;散热器 ,用于将热量传导散发至空气中;一台电力动能泵 ,用于推动液体流过微管道集热器.相对于传统的水冷 ,AMCC 的技术核心在于两点:一是微通道集热器 ,一是无噪声电动力泵.微通道集热器相当于水冷头 ,通过高导热介质贴覆在核芯表面 ,甚至直接与 CPU 一体化制造.其与核芯接触部分的内表面通过DRIE或LIGA 工艺刻出无数平行 宽度约为 20100m 的微沟槽 ,再经键合封装形成封闭的循环通路 ,而液态工作介质则沿着这条通路往复流动.因为集热器的散热面积 比传统水冷头增加了数百倍 和热传导系数都很大 ,使得核心温度与液体介质的温度几乎持平. 电动力泵 见图 4 是一种利用静电引力原理设计的液体泵.该散热器采用的液体输热介质是混有少量特殊物质的水 ,该介质在通过电动力泵内设置的多孔材料时会因在接触面产生电双层现象而附上静电 ,在泵两端产生的静电力场的作用下 ,液体可以获得维持循环流动的充足动力.这种电动力泵完全摆脱了机械结构 ,无活动部件 ,因此 ,工作时几乎完全没有噪声 ,可靠性极高 ,寿命也远远高于传统水泵.因为 Cooligy的产品采用了电力动能泵和微通道散热器 ,因而拥有许多杰出的性能 ,诸如散热性能优越 据其官方网页的数据 ,散热通量甚至可达1000 W/cm2 ,体积小重量轻 ,无噪声 ,性能稳定 ,可靠性高 ,寿命长 ,与芯片的集成性好 ,成本低等. 然而 减小微通道的宽度不仅可以增加散热能力 ,同时也会引起压力降升高 ,增加微通道的压力负载及泵的功率.此外 ,微通道的堵塞问题、低雷诺数下微流体的流动问题都是极需深入探讨的.随着微通道散热器本身的技术进一步完善 ,这种产品将有更大的发展潜力和市场需求.举报 speedsea_168 speedsea_168 当前离线 最后登录2005-1-14在线时间0 小时UID2331943注册时间2004-5-19阅读权限60主题24金钱1237 上尉上尉, 积分 1420, 距离下一级还需 1580 积分帖子363积分1420金钱1237 精华0 串个门 加好友 打招呼 发消息 4# 发表于 2007-9-28 13:07:20 |只看该作者 2.3 制冷芯片制冷芯片是由 Borealis 公司开发出的产品 ,它是基于热离子换能效应而实现的. 热离子换能效应早在 1900 年即被发现,即当两种不同的导体接触时 ,一种导体作为冷端释放电子 ,另一种导体作为热端接受电子.这样 ,通过高低能电子的交换从而实现热能的传递.然而该项技术并未在 20 世纪 70 年代立刻得到实现 ,其原因有如下: 器件只有在两个板间的距离极小时 110 m才可能发生热离子换能效应 见图 5 左 ,而当时的半导体微加工工艺尚无法满足这一要求; 即便材料能发生电子发射 ,所要求的势垒也很高,只有当热端达到 2 000 时才可能发生 ,而许多金属在达到这一温度之前早已溶化,并且极高的工作温度对系统的耗能量要求巨大 ,不可能有实用的价值.而制冷芯片在传统热电离子发射的基础上 ,采用了量子力学隧穿效应的理论 ,即将两块电极板的间距控制在纳米量级 110nm ,从而有效降低需要克服的势垒 ,在常温下实现两个大表面之间的电子隧穿 见图 5 右 ,加之近年来微加工工艺的极大进步,人们就能很好地解决上述的两个难题.尽管热隧穿具有很多优势 ,但在实际运用中却有着相当多的困难. Huffman 在 1965 年曾经用铝作为两块电极板 ,中间用 2 nm 厚的 Al O 作为绝热材料.但这个设想存在一个很致命的问题:当温差增大时,这层纳米级厚度而面积很大的 Al O 薄膜的热导率同样也在增大 ,因此 ,在通过热隧穿传递热量的同时 ,热量又通过 Al O 薄膜回到冷端. 要想保持冷热端的巨大温差 T ,大约需要 100 万层这样的 Al O 薄膜 ,显然这是不可行的.而Borealis 公司采用的绝热材料则是“真空”,因为实际上 ,最好的绝热材料就是真空本身 ,其绝热性能要比任何固体都强得多 ,又不阻碍隧穿电子穿越势垒.于是制冷芯片就采取了真空二极管的形式 ,由于真空卓越的绝热性 ,使得热量传递到热端后很难能再回到冷端 ,从而很好地解决了热量回流的问题 ,因此 ,从理论上来讲热离子换能的效率较高 ,其期望的卡诺效率为55 %,大大超过热电的 5 %8 %,也高于压缩制冷的卡诺效率 45 % .另外一个严峻的问题就是 ,要想在两块电极板之间形成 110 nm 的间距不是一件容易的事情 ,即使可以通过微加工工艺制作出来 ,如何保持如此细微的缝隙也是件很令人头疼的问题. Cool Ship 解决方案的灵感是从扫描隧道显微镜 STM 上得来的.在 STM 上常常通过控制压电材料来调节针尖的位置.这种压电材料是用单晶石英结构的材料制成的 ,当加上电压时 ,它就可以极其快速且精确地改变其形状.这样 ,STM 就能够以持续的电压保持针尖接近试样表面的状态.于是 ,Borealis 公司利用压电材料来控制电极板之间的间距 ,通过电压来控制压电位置调节器上下移动 ,再通过电容传感器反馈出当前的电压 ,最终将电极板间的间距保持在 110 nm 的范围内 见图 6 .根据Borealis 公司主页上提供的 Cool Chip 的信息可知 ,制冷芯片在室温下的理论散热通量为 5kW/cm2 ,加之其体积小、轻便、有效且成本低廉 ,所以应用范围十分广泛.此外 ,它可以实现薄膜式的固体冷却 ,从而能很好地避免芯片上的局部热点.制冷芯片还能够相互串联组成阵列的形式 ,具有可组合性 ,可以适合任何形状外表的散热 ,并提供更强大的制冷能力. 理论上 ,1 in2 6.45 cm2 大小的 CoolChip 装置已经足够供一台冰箱使用 ,2 in2 大小的Cool Chip 等同于一台为起居室散热的空调 ,而 5 in2大小的产品就能够为整间房子制冷了 ,因此 ,PC 制冷只是 Cool Chip 显示自己略显身手的地方. 但是要注意将热端的热量及时散发出去 ,需要额外使用被动散热 ,否则就会导致热端温度过高而烧坏制冷元件.由于 Cool Chip 的冷却性能优于目前几乎所有的散热技术 ,其应用前景是很乐观的 ,很可能在许多应用取代现有的各种制冷方式 ,如广泛地应用到飞机、导弹、火箭引擎、卫星等高科技领域. 伴随着Cool Chip 加工技术的不断成熟 ,不久的将来可以通过工业手段大批量生产 ,并有可能在未来 20 年内处于领先地位.举报 zhao4127 zhao4127 当前离线 最后登录2009-6-30在线时间1 小时UID2364577注册时间2004-9-21阅读权限60主题29金钱1237 上尉上尉, 积分 1433, 距离下一级还需 1567 积分帖子370积分1433金钱1237 精华0 串个门 加好友 打招呼 发消息 5# 发表于 2007-9-28 13:08:20 |只看该作者 3外部散热问题以上大都是针对将芯片内部热量传至表面的办法 ,尽管这些冷却方法的散热性能十分突出 ,但仍然需要合适的外部散热装置,否则就会引起热量回流和冷却器过热的问题 ,这就依赖于新材料的研究以及系统结构或工艺的优化和实现. 外部散热装置一般都采用散热片加上风扇的形式. 传统的散热片工艺有挤压技术、冷锻技术和切割工艺等.目前较新的加工工艺有如下几种:（1） 接合式鳍片工艺. 采用插齿技术改进了传统铜铝结合 ,利用 60 t 以上的压力把铝片结合在铜片基座中 ,一定程度上避免了铜铝结合产生的介面热阻问题.由于它可以利用多种材料来达到更好的散热效果 ,是一种兼顾重量、性能、传热及成本综合考虑的散热方案.（2） 鳍片折叠工艺. 折叠鳍片用冲压方式制出后 ,再接合到散热器底板上.折叠鳍片的厚度和间距都可以做的很小 ,同时能提供良好的气流通路. 此外 ,还可以混合使用铝或铜等多种材料 ,以达到所需的散热效果同时兼顾制造成本.( 3) 针鳍工艺. 它采用有效的针鳍结构和高导热材料,利用针鳍散热器的大表面积、全向针结构和针的球形特性使其成为单位体积耗能极高的热负荷.一块底面积 25 in2 (161.29 cm2) 、热阻 0.08/ W、全高 1.7 in 的 672 针散热器在温升 40 时的散热功率在 500 W左右.4 结语本文着眼于 CPU 芯片的散热问题 ,主要对热管、微通道散热器和制冷芯片这 3 种新型散热技术的研究成果和前景进行了详细的介绍. 随着芯片散热问题越来越受到关注 ,新的冷却方案、技术革新一定会层出不穷 ,微冷却器也将会不断应用到更新的领域中去.这就需要在理论和实验两方面进一步地深入研究 ,在应用领域也需要进行大量的工作.