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Sep 9, 2011 - 1 minute read - Comments

悲崔的散热片改良

贝壳的新电脑出了点小问题,不过让贝壳郁闷了很长时间。

其实这个问题早就有,不过最初没当回事情。贝壳用的AMD X4

955黑盒芯片,设计热功耗(TDP)125W,整个一个电炉。不过由于有功率调节能力,大部分的时候功率只有20W,还是挺不错的。机箱不热,声音也不大。不过贝壳偶尔一次晚上用这货压个片子,天呐,大半夜的战斗机升空了。声音吵到死人跳起来不说,机箱电源那里一摸还烫手。这还了得,CPU散热器烫手就算了,机箱烫手——真要作成烧烤机箱不成?

第二天,跑到配机器的那里,要求换一个好点的散热器,声音别那么大。他拿过散热器转了一下,笑笑说,这玩意声音肯定大,随手一转就有声音,上6000转还了得。想想也是,换了一个大号风扇,声音果然是小多了。不过抱回家,发现问题又不对了。原来的风扇温度是60度多点,现在这个有75度了。

再抱回去,人家也傻眼了。这玩意正常用没听说有这问题阿。好吧,老吴,我是正常人么?恩,这个真不是——

换了一个号称最强风扇,回家还是75度。怒了,回去好好研究了一下机箱散热的知识。

1.导热系数

什么叫导热系数[1]?一定厚度的材料,两端有温差,热就会从一端向另一端自动传导,这是基础热力学原理。导热系数的定义是,1m的材料,两端温差1度(同1开),在1秒内所传递的能密度。单位是W/mK(瓦每米开)。铜的导热率大概是400W/mK[1],铝大概是240W/mK[1]。具体情况会根据铜和铝的纯度,杂质种类,乃至合金特性而变化。所以以前常说,纯铜散热器如何高档。当然,根据数据,钻石会更高档一些……

2.散热器

目前散热器种类很多,我着重说其中一种,热管[2]散热器。

自从迈入热管时代,全铜散热片就成渣了。为什么?热管的热传导系数是5000-40000W/mK。哪怕钻石都是渣阿…..

不过热管归热管,还是有点讲究的。6mm热管一根大约能“负责”15W,8mm一根大约25W。在这个功率下,两端温差基本可以接受。如果你要求一根6mm热管负担955的全部125W功耗,也不是不行,两端温差就不好说了。目前热管使用形式最多的是U型热管塔式散热器,就是一根热管中间和CPU接触,两端向上延伸,成为塔状的散热器。这样的话一根热管就可以当作两根用,成本低效果好。955的TDP是120W多点,4根6mm热管刚好负荷,所以目标就选用6mm四热管散热器。

热管解决了一个关键问题,如何将CPU核心的高热传导到空间中,而如何将热管上的温度散发到空气中,则要看散热片的质量。通常而言,使用了热管后,散热片的材质就不是关键,关键是表面积。所以热管散热器不要盲目迷信纯铜,那玩意未必比表面工艺良好的铝叶来的效果好。好一点的散热器表面积都要高达上万平方厘米,大概能合1坪的面积。差一点的也有5000以上。如果热管配合的叶面太小,那么散热效果也会大打折扣的。热管和散热片的接触工艺大致分为两种,焊接和扣FIN。焊接好一点,不过实话说,区别也不是特别大。

3.硅胶

原来的风扇拆下来一看,厚厚一层硅胶。兄弟阿,硅胶这玩意不但不是越多越好,反而是越少越好。

硅胶本身接近白色,按照用途分为普通胶,导电和导热胶,区别在于后者加入金属粉或者石墨粉,从而有黑色和银灰的色变。最好的硅胶,导热系数号称可达6W/mK。对比上面的数据可以看出,其实这个数字小的可怜。然而为什么CPU上还要涂硅胶呢?因为金属接触的时候,接触面其实是不平整的。由于不平整,导热面积会大幅减小。为了使用全部的导热面积,通常使用液态导热填充物进行填充。当然,如果要求只是液态的话,选择还有很多,例如[1]中提到的水银。但是要求不能蒸发和凝固,定型良好,无毒无害,成本低廉,那最佳选项只有硅胶了。因此,硅胶是属于接触导热用,一般来说,越薄越好,厚厚的一层硅胶只会降低导热特性。同时,硅胶涂抹的时候也要大致均匀。有一点不均匀的话,在散热片压上去的时候,硅胶会自动流到接触最差的地方进行填充。然而如果一半没涂的话,硅胶是没有这么良好的流动性的。

4.风扇

风扇是机箱另一个关键部件,AMD原始的风扇之所以能用一个很破的散热器将温度降低,关键就是高达6000RPM的超高速风扇,俗称暴力风扇流。当然,这个流派最大的问题是——音量也很暴力。

通常而言,风扇的两个关键指标是尺寸,轴承,还有转速。转速的单位是RPM,即每分钟多少转。1000-2500RPM属于低转速,2500RPM-4000RPM属于中转速,4000-6500RPM属于高转速,6500RPM以上就是超高转速了,每秒100转以上。甚至部分服务器风扇可以高达10000多RPM。不同转速,所选用的轴承也会有所区别,具体轴承区别可以参考[4]。大致来说,低速风扇都是使用含油或者液压轴承,音量比较小。而高速风扇大多是双滚珠轴承。液压轴承通常的噪声都在18db-24db之间,在安静的房间内可以忽略。而双滚珠在4000RPM级别噪音通常都在28-32db,在安静房间有明显噪音,但是可以忍受。至于6000RPM或者更高的双滚珠轴承——那TMD就是活生生的战斗机。

风扇另一个需要注意的问题就是PWM。以前的风扇是三线,VC(voltage control)控制。当转速低于一定水平,IC电路就无法工作,导致风扇有一定最低转速。而PWM风扇使用独立供电,方波周期控制,因此最低转速可以控制的更低。对于有些需要静音又不能关闭风扇的系统,更加省电安静。

关于风扇风量的问题,可以大致参考[3]。955的TDP120W,CPU和机箱温差控制在15度以内,通风量就需要21CFM。考虑到部分风损耗,风扇至少需要30CFM以上。这个数值很尴尬,因为90mm级别的风扇,能够产生这个风量的大部分都是3000RPM以上的中高转速风扇。中高转速很大可能使用双滚珠轴承,噪音比较大。最后,我选了一款2000RPM的风扇,液压轴承,号称风量是45CFM。其实大家心里清楚,这玩意能到30CFM就差不多了——也能够达到要求了。

5.机箱热系统

机箱热系统差不多就是上面几个的综合,不过散热器主要考虑CPU,机箱还得考虑其他部件和热流动问题。

除去CPU外,另外三个主要的发热点是:北桥,显卡,硬盘。显卡我使用了一块低功耗无风扇显卡,北桥上也没有主动风扇,因此都需要机箱辅助散热。原来的直吹暴力风扇将CPU热都吹到了CPU周边。北桥和内存刚好就在CPU周边,这直接导致了北桥温度在48度居高不下。目前的塔式散热器一个优点就是把热都吹到了主板后端接口的位置,因此没有向北桥和显卡位置传递热。但是CPU风扇是45CFM的,而机箱电源风扇只有30CFM。堆积的热空气会产生热回流,导致散热效率下降。同时也考虑到,所有热风都通过电源,会导致电源长期在高温下工作,对寿命不利。因此我买了一个80mm40CFM的机箱风扇,安装在主板后端口上方,将CPU散热器推过来的热空气直接排出机箱。加上电源本身30CFM的风量,机箱会从下方和左侧吸取大量冷空气补充,从而降低显卡和北桥温度。

OK,光说不练假把式。我们对比一下几个散热方案的情况。

1.原始散热方案,原装散热器+暴力风扇。满载北桥温度48,CPU核心温度65,噪音——吵死人。空载北桥温度45,CPU温度50,噪音小。

2.直吹方案,纯铜散热器+静音风扇。满载北桥50,CPU核心74,噪音无。空载北桥45,CPU核心50,噪音无。

3.热管散热侧吹+机箱风扇。满载北桥38,CPU核心51,噪音无。空载北桥35,CPU核心38,噪音无。

参考:

[1].热导率http://zh.wikipedia.org/wiki/%E7%83%AD%E5%AF%BC%E7%8E%87

[2].热导管http://zh.wikipedia.org/wiki/%E7%86%B1%E5%B0%8E%E7%AE%A1

[3].如何计算产品所需风机的风量http://itbbs.pconline.com.cn/diy/10497307.html

[4].风扇轴承http://detail.zol.com.cn/product_param/index651.html

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