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简要分析CPU散热原理及影响因素

陕西省 宝鸡市宝鸡中学高二（十八）班程泰歌　　指导教师：魏宗博
准考证号：3528250436 联系电话：15667441523
摘要： 电脑CPU的散热一直是阻碍其性能的因素，人们在不断探索研究。尝试使用新方法或新材料使它的使其性能发挥到最大。散热器的发展经历了金属散热器与水冷散热器。但随着电脑硬件的不断更新与发展，CPU的发展也会向向绿色、环保、高效、与低耗能迈进。
关健字：CPU　散热器　　

　　 随着电脑技术的不断提升，CPU技术越来越受到关注。早期的CPU结构简单单一，未架设散热器。可是在开发一代又一代的CPU时，它的散热已然成为阻碍它继续发展的障碍。
（一）为什么早期的CPU不配备有散热器？
早期CPU伴随着新兴的电脑工业而生，其主要作用为处理简单的指令，随着后来电脑工业的迅猛发展，越来越多的计算机语言被开发。人们早已不满足于电脑仅仅是被作为处理分析数据的工具。于是，这对CPU提出了更高的综合功能要求，伴随着其功能的上升，其功率也悄然上升。
　　功率的上升自然引发了其对散热的要求，于是，散热器在此时正式登场。
　（二）散热器的基本工作原理
　它的工作原理是CPU散热片与CPU表面直接接触，CPU表面的热量通过热传导传递给CPU散热片。散热风扇产生气流通过热对流将CPU散热片表面的热量带走。而机箱内空气的流动也是通过热对流将 CPU 散热片周围空气的热量带走，直到机箱外。同时所有温度高的部分会对周围温度低的部分发生热交换。换热方式包括了导热、对流、热辐射。
　　
　　（三）散热器的几种基本结构形式及其工作原理
　　 ①利用金属传热的散热器
铝片散热器
这种散热片是目前使用率最高的散热片之一，整体采用纯铝。铝，作为地壳中含有量最高的金属，成本低和热容低是其主要特点，虽然吸热慢，但放热很快。一般采用铝挤压式制造工艺的散热器凹槽的最小间隔只能做到1.1毫米。同时散热原理也是最简单的。利用散热器上的散热片来增大它与空气的接触面积，再利用风扇来加速空气流动从而带走散热片上的热量。这种散热片跟以下几种散热器相比散热效果最差。
压铸铜式铝制散热片
这种散热片乍看外表颇似嵌铜散热片，底座上也有一块铜，但不一样的地方是，这种散热片上的铜块并不像嵌铜散热片那样是利用热胀冷缩的原理嵌进去的，而是使用了最先进的压铸技术。可以说是完全的无缝连接，所以在铜块与铝座的连接线上，无论怎么看、怎么摸，都绝对感觉不到任何缝隙。从根本上保证了铜块与铝座之间的热传导性。因此，具有超强的散热性能。典型的例子就是曾经被媒体封称为“地球上最强风冷散热器”的ALPHA PAL8045T。当然，由于制造复杂做工精细，一般采用这种工艺制造的散热器价格颇高， ALPHA PAL8045T不带风扇的散热片，其价格就要420元了，价格是比较昂贵，但散热效果极佳。
②水冷
　　主要依靠液体作为散热介质，因多用水，故通称为水冷散热器。通过附在CPU上的吸热盒迅速将热流传导到冷却液，通过冷却液在散热鳍片中的循环流动来达到降温效果，如此循环不息。






③热管散热器
　　热管一般是中空的圆柱管，热管两端产生温差的时候，蒸发段的液体就会迅速气化，将热量带向冷凝端，速度非常快。两端温差越大，蒸发速度越大。液体在冷凝端凝结液化以后，通过毛细作用，流回蒸发端。如此循环往复，不断地将热量带向温度低的一端。水与气之间的相变反应，使热管的热传导效率比普通的纯铜高数十倍，甚至百倍。应用这种方式可以用几倍的速度将热量从热管的底部导到热管的顶部。这种极佳的导热性能，可以使热量不会在发热部位堆积，而是均匀地散发到了散热器的各个散热翅片上，极大的提高了散热片的导热性能。青藏铁路在永久冻土层也沿用此散热方法。
（四）模拟各种因素对散热器的影响
工具：借助Icepak热分析软件。（数据及环境选择均采取网络提供标准实验数据）
①CPU底面尺寸对散热效果的影响
试验参数：
1.鳍高设置为45mm　2.散热器底面尺寸的长和宽分别从50mm变化到120mm，间隔10mm3.设置鳍片个数为10片，
启用Icepak热分析软件进行试验分析。（上图反映了散热器底面尺寸的变化对散热性能的影响。）
结果分析：（引用软件所给结论）
不管是随着底面长边的变化还是短边的变化，都表现为底面积的增大，随着面积的增大，热源温度也不断的下降。说明随底面积的增加，散热器的散热性能越来越好。但随着不同底边的变化，散热性能有一定差别。随底面长边的增加，在增加底面面积的同时，鳍片的面积也在增加；而随着底面宽边的增加，仅增加了底面面积。所以，在图中看到刚开始时随长边变化曲线斜率较大，当底面面积大过一定值后，鳍面积增加带来的影响相比底面积增加带来的影响可忽略，所以之后两条线趋于一致，而且当底面积大过一定值后，在增大底面积对散热性能影响不大。
②CPU位置变化对散热效果的影响
试验参数 ：
设置偏离中心从0mm变化到60mm，间隔10mm，
启用Icepak热分析软件。
结果分析：（引用软件所给结论）：
　散热器安装位置的改变对散热性能也有影响。在热源偏离中心位置40mm以内时，CPU温度变化不大，但之后温度有较大的上升趋势。这说明，只有CPU偏离中心位置较远，且距离散热器边缘很近时对散热器是散热性能影响较大。
③鳍片（导热片）个数变化的影响
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 试验 参数：设置鳍个数从5个变化到20个，启用Icepak热分析软件。
结果分析引用软件所给结论）：散热器片数存在一个最优值，使散热器散热性能最佳。因为虽然片状鳍个数是增加增大了散热面积，但同时片状鳍间距减小，鳍间的空气流动就会受到制约，所以不是鳍数越多越好。从图中可以看出片数10左右散热性能最佳。
注：由于时间，仅对以上三个主要影响因素进行探讨，其余不做陈述。如有不足，敬请指出。
（五）模拟实验总结：
　　 1.通过上述实验，我们不难发现。CPU的主要热源转化点以及鳍片（导热片）个数起着对散热效果的主导作用。CPU底面尺寸也与散热效果呈正相关关系。其中，散热器底面积效果最显著（温度总下降了约20℃）。鳍片（导热片）个数存在最优值。
　　2. 通过以上分析，找出了影响散热器散热特性的主要因素。
（五）展望CPU散热器的发展前景。
　　电子计算机作为目前全世界最为通用的办公设备，其发展是必然不会中断的。尤其是在2012年年终科技成果总结晚会提出的，人们发现了新的CPU制作材料后，新一代电脑的出现已经成为必然，根据摩尔定律，每十八个月计算机的硬件设备就会更新换代一次。所以新一代的散热器一定会追随电脑前进的步伐，继续向更优化发展。然而，由我们的物理学实验可知，鳍片（导热片）数量及尺寸存在最优值，最小化的CPU将会导致散热不利。也许，在不远的将来，CPU散热器的尺寸无法再微缩，散热效果会大打折扣，尺寸与散热间的不可调和矛盾日益凸显，成为阻碍因素的CPU散热器将会退历史舞台，而优化后的CPU将会向绿色、环保、高效、与低耗能迈进。但这一切的前提是一次又一次的实验指导助人们找到走向新电脑世纪的又一次技术革命道路。未来是一个未知数，但是有了物理，他不再让人感到害怕，甚至会让我们着迷，让我们立足于物理，努力学习，争取与世纪的先驱者们齐头并进，找到解决着一切问题的钥匙！
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