处理器冷却。方案、说明

处理器冷却。无线电电子电气工程百科全书

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现代计算机单元的冷却装置结构复杂，包括热交换系统、冷却剂鼓风机、监测和控制装置以及与冷却物体的连接点。这些系统的规格通常不可用，用户必须依靠自己的经验。引起读者注意的文章将有助于了解该设备的复杂性以及冷却设备的使用。

如您所知，Intel 将其处理器的工作温度限制在 +66...78 °С，AMD - 在 +85...90 °С。在房间内 +23 °С 时，计算机系统单元内的空气温度高 10...15 °С，处理器高 20...35 °С。因此，处理器温度可达 +75 °C，在炎热天气下 (+35...40 °C) - +92 °C。

由此可见，现代处理器在满负载时需要有效的冷却，但并不是每个冷却器（冷却器-冷却器）都能提供。更不用说那些喜欢从计算机中榨取一切的人了。对于他们来说，高效的冷却器是必须的。因此，经常会出现这样的问题：选择哪种散热器？

目前，世界上生产多种类型的冷却装置。这些冷却器的冷却剂是空气，最近出现了水和热电冷却装置，以及热管冷却器，甚至还有蒸汽压缩制冷装置等奇特的冷却器。业余爱好者甚至用液化气和干冰进行实验。

在目前的热输出水平上，使用空气作为冷却剂的冷却器被广泛使用，并成功地应对了冷却计算机组件的任务。按热交换类型分为自然对流装置和强制通风装置。前者用于热释放高达 10 ... 15 W 的系统，后者用于热释放水平高达 100 W 的系统。在第二组冷却器中，去除的热功率与散热器的表面积（下文中使用该术语，因为它在计算机文献中已得到充分证实）、散热器与冷却空气之间的温差成正比。，以及气流的速度。最常见的是肋状散热器，较少使用更复杂的销钉和涡轮类型。

从著名的 GoldenOrb 到现代型号的涡轮式冷却器都因其高效率而充分证明了自己。作者已经使用了三年的GoldenOrb，尽管鳍片面积相当小，但仅在积极的一面表现出来。之所以选择它，是因为这种设计的特性是产生从处理器到主板的气流，从而为位于主板上的组件提供额外的冷却。其有效的原因是什么？分析结果表明，在具有等截面翅片的涡轮式散热器中，风道的横截面沿着气流方向不断增大，从而保证了在一定温度下，其中的加热空气具有恒定的高流量。风扇功率低。此外，翅片沿气流扭曲的正确方向减少了其气动阻力，冷却空气的速度（高达 5 m/s）比翅片散热器（高达 2 m/s）更高。因此，其热阻与面积约为 2,5 倍的翅片散热器的热阻相当。建议使用该型号的铜冷却器，散热功率可达 50 W。这种类型的其他冷却器，例如具有恒定横截面通道（肋 - 梯形形状）的冷却器，效率较低。

带有针状散热器的冷却器由于其比相同尺寸的翅片散热器更大的表面积而表现出高效率。

带肋状散热器的冷却器已得到最广泛的应用。它们易于计算且制造成本低廉。让我们考虑描述此类设备特征的主要依赖关系。

首先，这是热平衡方程：

其中 P 是散热器移除的热功率； c是空气的比热容； p——空气密度； V——通道内的空气速度；扫描——通道截面面积； ΔТ = Тр - Тс——风道内空气加热温度； Tr——散热器温度； Тс 为介质（空气）的温度； a为散热器的传热系数； S是表面积。

热阻Rp（在数值上等于每1W输入功率的散热器过热温度，°C/W）表征热流中任何元件串联电路中的温降，在这种情况下，热阻处理器散热器的电阻：

其中 Рр 是提供给散热器并由其耗散的功率，W； ΔT是接触表面的温差。

知道热电路每个环节的热阻，我们可以估计从散热器到处理器芯片的温度分布：

其中 Tr 是散热器的温度； Tc——晶体温度； Rproc——处理器消耗的功率； RK_K——热阻晶体处理器外壳； RK——处理器外壳-散热器的热阻； Rp——散热器环境热阻。

当热流路径中的两个元件之间使用导热膏时，接触表面的热阻可以通过经验公式估算：

其中Sn是接触面的面积。

现有处理器的接触表面积约为2至15 cm2，热阻RK为1至0,15°C/W，导热膏的使用将其降低至0,5...0,07°C/W。

当使用未填充的粘合剂时，可以实现最多与干燥接触表面对应的值相称的RK值，填充粘合剂可以实现接近于使用导热膏获得的RK值。事实是，不干导热膏在固定机构的压力下扩散，我们得到了最小厚度的层，并且粘合剂迅速硬化，保留了初始安装时产生的间隙，并且它很大程度上决定了热阻。这种连接的主要缺点是其刚性：加热时，散热器的变形会以机械应力的形式传递到处理器外壳，其后果可能会很严重。

当然，计算处理器-冷却器对的热状态的过程要复杂得多，但上述公式足以理解系统中发生的过程。而要进行评估计算，可以参考专门的文献（例如参见《REE设计手册》，R.G.Varlamov.-M.：苏联广播电台，1980年编辑）。

液体冷却器有两种类型：重力式和强制泵式。第一种，尽管使用比空气热容量更高的冷却剂（水），但其特性与最好的空气冷却器相当，但比预期低得多。这是由于冷却剂的低流速和在处理器和热交换器的排热单元中产生压降所需的温差来解释的。使用强制泵送时，散热效率更高，处理器温度比之前的情况低 10...15 °C。但如果仅通过精度来保证管子的连接质量，那么在连接管内存在过压的情况下，保证密封性的问题就更难解决。我们不能忘记水的体积膨胀系数很高，因此需要一个额外的容器，位于系统最顶层的节点上方。根据规定，这个容器必须有一个能够平衡周围空气和冷却系统压力的装置。在最简单的情况下，这是一个与外部环境连通的孔。结果，水蒸气总是会进入系统单元的容积中。使用密封压力均衡装置降低了设计的可靠性。

还有一些困难是制造商没有写出来的，但每个使用电子设备水冷却系统的人都面临过。这些是微生物。为了防止它们在如此舒适的条件下生长，有必要采取特殊措施并每年至少冲洗一次系统。

使用液体冷却器在功率超过 1000 瓦时有效。由于功率输出低且操作复杂，不建议将它们用于冷却处理器。

另一种类型的冷却器是使用珀耳帖热电元件的装置。 SwiftTech 的 MCX462+T 风冷冷却器就是一个例子，其热负载高达 100W。该产品适用于无法接受液体冷却的系统。该冷却器的127个热电偶采用公司推荐的Meanwell S320-12电源供电，输出电压为15,2V，负载电流为24A。设备最大冷却能力为226W，温差为超过67°C。不含风扇的价格约为 90 美元，全套价格为 130...170 美元。

事实上，珀耳帖元件是一个热泵。它提供从处理器到散热器的热量传递，将能量消耗在处理器上，并将自身的热量添加到处理器产生的热量中，其效率约为50%，与输出相称，这增加了处理器的散热量。系统单位。

还需要根据处理器的加热情况对热电堆进行“智能”控制，以防止其温度过度降低，从而防止湿气凝结在其上。通过调整热元件的散热能力，您可以灵活监控处理器的散热情况并优化功耗。

基于珀耳帖元件的冷却器的优点包括能够将处理器的工作温度降低67°C，缺点是功耗高（高达100W）和散热、设计复杂以及缺乏配备自动冷却器的主板。控制装置。如果没有处理器的温度控制，处理器和主板可能会出现故障。当这种类型的冷却器与控制设备一起工作时，可以推荐用于“超频”微处理器的实验。

我想警告您不要自己安装这样的冷却器：在“最好”的情况下，您将失去处理器，在最坏的情况下，也会失去主板。事实上，为了有效冷却，必须在严格指定的压缩力下将两对表面（处理器热电偶和热电偶散热器）匹配为最小热阻。为了保证高质量，这只能由具有使用此类设备的丰富经验的专家来完成。一旦出现故障，使用这样的冷却器只会带来额外的问题。

为了评估带有翅片散热器的标准空气冷却器的热特性及其效率，根据散热器的材料（铝合金、铜），根据以下公式，重点针对 P4 处理器的冷却器进行了计算：上述参考手册中描述的方法。

初始数据：肋状散热器，吹制表面积为 1560 cm2，表面 - 粗糙，发黑，紧固 - 标准；功耗 - 80 W，空气温度 - +40 °С，吹气速度 - 约 1 m/s。计算结果如图所示的表格和图表所示。表中接受以下指定： ΔTr_cr - 散热器-晶体连接处的温差（较低值 - 使用导热膏时，较大 - 不使用导热膏时）； Тcr——相同情况下的晶体温度； Рras——散热器消耗的总功率；拉拉斯。伊兹尔。黑色 - 功率通过变黑的散热器的辐射而耗散。

处理器冷却

从图中可以看出，在其他条件不变的情况下，铝合金 (AI) 散热器在散热器温度 +77°C 时提供约 52 W 的热量输出，而铜 (Cu) 在散热器温度 80°C 时提供约 34,5 W 的热量输出。约+1,5, 1 °C。换句话说，在所考虑的情况下，在相同的热功率下，铜散热器的温度要低XNUMX倍。这使得推荐在冷却器中使用铜散热器来冷却强大的处理器成为可能。他们成功地完成了任务（翅片厚度超过XNUMX毫米），没有水和热电装置的缺点。该表可以估计这些点的晶体温度。

处理器冷却

计算得出的散热器的接触热阻 RK = 0,2 °С/W（带导热膏）和 0,4 °С/W（不带导热膏）。铝合金散热器的热阻为 0,67 °C/W，铜散热器的热阻为 0,45 °C/W（两种情况均在额定功率下）

分析热平衡方程（1）并根据冷却系统的运行经验，我们可以建议：

在系统单元中使用鼓风机。使用排气装置会降低模块中的压力并损害其所有节点的冷却；
节点和电缆在系统单元中的放置方式应为冷却气流流向发热节点以及系统单元之外提供自由空间；
选择具有最佳散热器通道面积的冷却器。它必须与风机的流通面积相称，这样气流才会均匀，风机就能提供吹风，而不会消耗过多的能量。风扇上和散热器通道中的灰尘沉积表明其积聚处存在压力波动或不稳定的气流，因此有必要简化其流动。增加空气速度是徒劳的，因为在该部分中，空气速度仅由沿流路的压降决定。轴流风机产生的压力不超过2 ... 5毫米水柱，并且几乎不会随着电动机功率的增加而增加；
使用带有多叶片（七个或更多）叶轮的风扇；
降低系统单元内的温度，将其放置在尽可能远离热源的地方（单元安装地点的空气温度越低，内部温度越低，处理器越冷）；
选择具有最佳翅片高度和厚度的散热器。由于热阻较高，非常薄的翅片温度远低于底座温度，因此尽管面积较大，但冷却效率却下降。翅片厚度在1毫米左右时，应优先选择铜散热器，效率更高；
使用带有翅片的散热器，其横截面形状在翅片的整个表面上提供接近均匀的散热。例如，Fanner Tech 的 Spire 9T207B1H3G 冷却器的散热器就是这样。在横截面中，它们的肋条是底边比为2:1（1,2和0,6毫米）的梯形。这种翅片表面温度更加均匀，与矩形翅片相比，提高了效率；
最后（这适用于开发商和制造商）将热阻作为强制参数包含在冷却器特性列表中。

还有一个一般性建议，由于其陈词滥调而无法讨论，但实践表明并非所有专业人士都遵守它。正确涂抹导热膏，将有利于处理器的运行。拆下冷却器时，整个接触表面上应该可以看到一层薄薄的、几乎透明的糊状物。我多次只能看到中间的一巴掌。这种糊剂的使用只会使冷却条件恶化。

我们来总结一下。要了解如何消除处理器的热功率，您需要了解一些规定和依赖性：

功耗总是大于处理器产生的热功率。
处理器消耗的热功率在其运行过程中会发生变化，并且取决于其负载，因此它具有静态和动态组件。第一个是处理器在待机模式下消耗的功率，仅取决于处理器型号（其内部结构），并且对于现代 AMD 和 Intel 处理器来说不等于零。第二个参数在处理器运行期间发生变化，仅取决于其负载，并且是总热功率与其静态部分之间的差值。
处理器产生的部分热功率由冷却装置通过辐射消散。
任何冷却器的效率都以其热阻为特征。

作者：弗拉基米尔州拉杜日尼的 A.Sorokin

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