CPU散熱器如何工作
深入剖析：保持處理器冷卻是提升PC機性能的重要方法      Chris Lloyd

電流會產生熱量，這點確實有些討厭。但正是因為這一物理定律，你才能以飛快的速度運行你的PC機處理器。
熱即是動能，不能被創造也不能被湮滅，你可以做的是移動它或變換它。冷卻處理的技巧在于吸收能量，并將其遷移至足夠遠，以不至于產生任何損害。
多數PC機內的冷卻技術復雜得令人難以置信，在CPU頂部有一個簡單的散熱器和風扇，這一裝置決定了CPU能跑多快。

散熱片和風扇
最基本的冷卻形式是散熱片，因為不涉及功率消耗，它屬于被動冷卻方式。散熱器其實就是與處理器接觸的一種高熱導材料（通常為銅），處理器將熱量傳給具有更大質量更大表面積的散熱片，熱量最終由散熱片傳給周圍空氣，該過程的進行有賴于通過對流保持空氣流動。
下一步就是在散熱片上添加一個風扇，考慮到空氣是熱的不良導體，這樣可以使空氣流動起來。讓更多空氣在更大的空間流動能夠改善冷卻效果，但實際中PC機內的空間有限。該冷卻方案已足夠應付大多數情況，但對于高性能設備這還不夠。
散熱片的下一步發展方向是使用更好的材料。使用碳的想法已經有一段時間，無論是作為沿長度方向導熱性很好的碳纖維納米管、石墨或是泡沫碳，這些材料的導熱性都能輕松達到銅的一倍半或更多，而且它們可以被制造成具有更大的表面積。雖然碳納米管在散熱器上有這樣的應用前景，銅目前仍然是很好的材料而且非常便宜。

熱管
一個簡單但有效的辦法是采用熱管傳遞大量的熱量。當材料經歷由氣體到液體或由液體到氣體這樣的相變時，大量的熱量被吸收或釋放。
例如，當水分沸騰變成水蒸汽時，大約需要2260焦耳/克的熱量，即所謂的汽化潛熱，這與水每加熱一度要吸收4.18焦耳的熱量不同。水在相變過程中并不變熱，它只吸收熱量。
由氣體變成液體會釋放出同樣多的熱量，如果你周圍的系統到處存在這樣的機制，你就擁有了一個熱泵，這和冰箱的基本原理相同。
PC機散熱器內的熱管由少量液體（通常為蒸餾水）密封，以在低壓狀態下降低沸點（這就是為什么你在珠穆朗瑪峰上不能煮一杯像樣的茶）。熱管里面有一層內襯，起到芯、金屬篩網或燒結銅（將來很可能是泡沫銅）的作用。
水在熱源端加熱沸騰，蒸汽擴散到熱管的冷卻端，并在那里凝結成液體，在芯的毛細作用下液體又流回熱源端。只有很少量的液體在移動，但相變所需的巨大能量意味著大量焦耳熱的轉移。該過程無需電力及維護。
蒸發室是熱管的一種變體，出現已有一段時間，但尚未被廣泛接受。這里不再采用一組管道穿過散熱片的方案，整個熱管被拉平和改形以安裝在處理器上，散熱器的其余部分安裝在最頂上。

液體冷卻
PC機液體冷卻系統的工作方式和汽車散熱器幾乎相同。水流過處理器頂部的冷頭，然后被泵送至散熱片，熱量在這里被傳導到鰭片和周圍空氣中。
液體冷卻的早期嘗試顯然是有成功也有失敗的自發性試制。現在你可以購買現成的架式冷卻器，它并不比常規的散熱器更難安裝和運行。水冷是非常有效的，與空氣相比，水有更合理的熱導率，這意味著處理器的熱量被吸收得更快，再加上水的大比熱容使得水本身就是一個非常好的散熱器。
熱交換的最后一個環節—散熱片，仍然是相當低效的。但至少如果你需要的話，可以安裝一個帶多個風扇的大型散熱片，而且可以安裝在遠離熱源的位置。鑒于其較高的熱導率，水銀會是更好的工作介質，但健康和安全部門的那些矯情的慈善家又會擔憂了。顯然，水銀是有毒的。

熱電冷卻（TEC）
現在我們開始接觸一些新事物。熱電冷卻器利用Peltier效應將熱量從材料的一端傳至另一端，它由兩塊不同的半導體構成的夾層結構組成。對該夾層結構通以電流會導致熱量從一端傳至另一端。改變電流的極性即會使熱流反向。
除了使用電子之外，熱電冷卻的工作方式和熱管類似。熱電冷卻的效率不算很高（大約是熱管的50%左右），但它采用固體材料，且無需維護。TEC冷卻器同樣可以在環境溫度以下制冷，但散熱片就做不到這一點，但TEC冷卻器有過冷凝結的缺點，這是在PC機中不希望出現的情況。
TEC目前還沒有流行起來，一個重要的原因是酷冷至尊V10全負荷運行時制冷量可達70W。還有一個問題在于，TEC并不將熱量傳到很遠處，熱量僅是穿越半導體層的厚度而已，這意味著你還要采用傳統的設計將熱量耗散掉。
采用TEC散熱仍然是一個昂貴的專家級選擇。聯合使用TEC和液冷方式散熱完全是一個極品創意，并且會產生很好的效果，這種方式使用TEC來冷卻芯片或散熱片（這樣更安全些）。

其它方式
當然，總是有一些強力 — 堅持認為把空調上的實際工作單元—蒸汽壓縮單元安裝到PC機上。對于家庭使用來說，這種方法有些浪費，而且它還會帶來冷凝問題。
其它一些夸大其詞的方案包括把整臺計算機浸入非導電液體中，但根部不切實際。
保持CPU冷卻看起來像是一件挺簡單的事情，而且你可能認為已有一些高科技的解決方案隨時可供使用，但事實上沒有。
在這么局促的空間內傳熱仍然不是簡單的事情 — 它需要PC機電源供電，又不產生強磁場、射頻，且在任何情況下都不影響到PC機的運行。

 

標簽： 點擊： 評論: