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突破传统技术 桑迪亚散热器初探

 作者：   文章来源：    点击数：  更新时间:2013-06-12 14:25:26

      The Sandia Cooler（桑迪亚散热器），这是桑迪亚试验室对它们新散热产品的称呼。桑迪亚散热器并非是脱离当前散热体系自成一派的散热产品，从原理上讲，桑迪亚散热器依旧属于风冷散热系统。但有别于传统风冷产品，它并不是在散热片密度、散热片材质或者风扇规格等传统因素上的改进。而是彻底改变了当前依赖风扇加散热鳍片的传统热交换方式，试图解决热阻、死气和噪音等传统风冷散热难题。
 

三大问题一个对策
 

      实验室的研究人员称，目前风冷散热器真正的热交换瓶颈不是热管或金属的热传递效率，而是附着在散热片上的一层静止不动的空气，桑迪亚国家实验室研发人员将这层空气称之为“死气”（dead air）边界层。在这个“死气”区域内，扩散是热传导主要机制，而用扩散方式在气体间散热是相当缓慢的。使用风扇进行主动散热，这个死气层也依然存在，而且厚度足以严重影响整个散热器的热交换效率。

      另一个长期存在的问题是，随着时间推移，传统风冷散热产品底座（鳍片）内不可避免地“藏污纳垢”。空气中的颗粒物和其他污染物会逐渐堆积在散热器表面和散热器鳍片中间。导致降低风扇产生的风压，减缓散热器和空气的热交换。同时也变相减少了散热鳍片面积，增高了热阻值，使发热源的热量更容易堆积，出现散热阻塞。

      传统风冷散热器第三个问题则是气流量和噪音的矛盾。风扇产生的气流量和工作噪音成正比，热交换的气流量越大，工作噪音越大，我们也称风扇或者散热系统散热的机械效率越低。小型和中型散热风扇机械效率相对都较差，高噪音成为这些散热器满足系统散热需求的非生产性开支。若降低风扇转速降低噪音，那又将对散热性能产生明显副作用。

      桑迪亚散热架构，则通过一种被称之为“空气轴承式热交换”的技术，巧妙地消除了传统风冷散热系统以上的3个缺点。该技术能让桑迪亚散热器的边界层（死气）厚度数倍减少，对散热器污垢添加内在免疫力，并且大幅减少噪音。从外形和结构上来看，传统风冷散热系统当中，吸热装置如铜片、热管往往是放置在散热器底部和发热表面接触，同时顶部还有片状散热鳍片增加和空气的热交换面积，提升散热效果。最后依靠主动风扇，提升空气热交换速度，将热量从鳍片上带走。而根据研究人员拿出的桑迪亚散热器原型来看，桑迪亚散热器则由底座、旋转马达和旋转散热鳍片组成，没有了传统的风扇部分。

      桑迪亚散热器底座内建一个高效率的无刷电机，用来旋转散热器叶轮结构，转速可以达到数千转每分钟。散热器叶轮结构底部为一个平面，可以很好地嵌入到固定不动的底座当中。在桑迪亚散热器工作状态下，空气被吸入散热器圆形中间没有鳍片的部分，然后以圆点为中心，空气呈放射性散开，被离心力抽离到密集的散热鳍片当中，然后带着热量离开散热器。

      同样没有风扇，但很明显，桑迪亚散热系统有别于传统Fanless概念，区别的关键就是这个可以旋转的结构。这个旋转结构，将传统散热片功能和离心叶轮功能结合起来。在工作状态下，旋转结构高速逆时针旋转，产生强大的离心力。借助流线型设计，散热鳍片在离心力的帮助下，能将包裹在散热片周围的死气层撕裂、压缩。虽不能完全消除，但能将死气层厚度控制到当前散热产品1/10，甚至更薄的程度。这能将散热鳍片和空气的热交换效率提升到当前技术难以到达的高度，以更少的热交换面积达成理想的散热效果。

      此外，由于散热片高速旋转，完全消除了散热片之间“藏污纳垢”的问题。这有点类似我们在传统风冷散热器上看到的情况，相同操作环境当中，散热底座或散热鳍片已经被灰尘覆盖，但是风扇扇叶却没有多少灰尘，因为风扇在高速旋转。而鳍片自身能高速旋转，则能像扇叶一样有效避免污垢的沉积。

      至于噪音问题，因为新结构不存在风扇单元，规避了传统散热系统高速风扇的切风噪音和风压啸叫等噪音问题。由电机提供的旋转动力，直接让散热片和周围空气产生相对运动，这种高效的“直接驱动“方案，只会产生电机的转动噪音（无刷电机的噪音相当低，对人耳来说基本忽略不计）。相比传统结构，迪亚散热器的工作噪音源明显较少。这让它的整体工作噪音相对传统结构大幅降低。

自转引发的新问题如何解决？
 

      提出疑问“鳍片部分能够旋转，自然就不能和底座融为一体。那它们之间不会有摩擦力么？不会产生明显的摩擦噪音么？”实际上，桑迪亚的工程师们也很清楚，如果不能解决摩擦问题，不仅影响新散热器的电机效率和寿命，甚至会产生比传统风噪更大的工作噪音。于是，他们引入了先进的流体力学气体轴承设计。什么叫“流体力学气体轴承设计”，简单点说，它有点像大家熟悉的硬盘悬浮磁头臂，它能让磁头悬浮在磁盘上方读取数据，从而避免摩擦损伤和噪音。也即是说，当电机高速转动的过程中，旋转鳍片和底座非完全接触，它们之间还有一段距离，期间的空气将鳍片模块托起，避免了金属间的摩擦。

      气体轴承解决了摩擦问题，但新问题随之诞生。此时气体轴承在两金属之间不恰好类似于传统鳍片上的“死气”？都知道空气的热传导系数远低于金属，否者我们也不用在处理器表面涂抹硅脂，帮助降低导热系数。但你有可能并不知道，当空气层足够小，且对流速度非常快的时候，其热传导效率将提升数倍，虽不及金属间的热量传递效率，却绝不逊色于硅脂等导热物体。实际上，上层散热器叶轮结构快速旋转，已经能够造成夹缝中的空气非常激烈地对流。问题的关键是如何减少底座和上层叶轮的距离，减少到多少合适？桑迪亚工程师给出的答案是这个距离要小于0.05mm，而且这个距离还能由产品自动调节。实际样品中，这层气体轴承的距离被压缩到0.02mm，且具备自我调节能力。如果间隙距离增大，那么间隙当中的空气压力减少，对上层结构的支撑力下降，上层结构会向底座靠拢，迫使空气间隙的距离减少。这种负反馈为桑迪亚散热器上下2个部分提供了非常优良的机械稳定性和有效的弹簧常数，在上部分高速旋转的同时，并不会损坏下部分的表面和稳定性，并且可以让散热器安装在任意方向，比如垂直安装。
 

什么设备会用到桑迪亚散热？
 

      具备自动控制能力的气体轴承不仅解决了磨损和噪音问题，还为它的安装和使用环境扩展了思路。水平、垂直安装都不成问题。没有安装限制，桑迪亚散热器适用范围就更广泛。桑迪亚散热器发明人桑迪亚国家实验室研究员Jeff Koplow表示，桑迪亚散热器能为众多应用提供好处，特别是那些看重热管理和能源效率的场合，比如供暖、通风和空调（HVAC）系统等等。理论上桑迪亚散热器尺寸也非常容易进行缩放，如果全美散热设备都改用大大小小的桑迪亚散热器，那么美国每年的整体电力消耗将降低7%。

      其实，正如Jeff Koplow所说，桑迪亚散热设计能用在许多地方，并不局限于大型设备。民用领域如PC的散热也完全能引入这样的设计。事实上，与其说能用于PC，还不如说它就是为PC量身打造的次世代精品。原因主要有二：

      1、原型样品正是为芯片散热打造的，从结构上看，它比传统风冷产品小巧了不少。若这样的体积也能满足台式机芯片的散热需求，那么可以预想，用于mini电脑、笔记本电脑等散热的产品将更加轻薄，进一步满足用户对PC小巧、低耗、低噪的要求。

      2、从设计上看，桑迪亚散热器的原料并不复杂，成本比传统散热器更低。同时其具备的自行清洁能力将进一步提高设备的可靠性，降低维护成本，更易让用户接受。

      因此我们相信，很快就会有针对PC等领域的桑迪亚散热器产品就将面世，与传统风冷产品展开激烈竞争。
 

它的性能究竟如何？
 

      该技术的特性被认为特别适合用于笔记本电脑和玩家的高端PC。设计简单，坚固耐用并且有成本竞争力都是它的优势。那么它的性能究竟如何，是否有足够吸引力让玩家们放弃当前的高端风冷产品？

      传统高性能热管散热系统，其散热器内部由多根热管组成，由于边界层效应，这种系统必须有非常大的热导表面积，才能达成相对较低的热阻。平均来说，传热路径（例如热管高度）长度会超过80mm，因此需要热管穿插于多片散热鳍片之间，才能尽可能降低热阻。而桑迪亚散热器因为死气层厚度大幅降低，使其边界效应大幅度缩小，因此无需采用高塔设计。而且平均传热路径大幅度减少（约10毫米左右），鳍片散热效率成倍提高，也就没有了利用热管等成本较高元件来降低热阻的必要，从而大幅度缩减散热系统体积和成本。

      理论说起来抽象，看看桑迪亚散热器原型样品的实际表现。拥有4根热管，等效8根热管的Dynatron G950散热器可谓当代风冷产品的代表。它的大量鳍片总共能为散热器提供高达12000cm2的热交换面积。而与之对比的桑迪亚散热器原型体积小了太多，整体鳍片热交换面积仅400cm2，相差30倍之巨。而实际对比测试中却发现，桑迪亚散热器效率异常惊人，其热导效率是Dynatron G950的29.3倍。什么概念？这意味着同面积散热鳍片，桑迪亚结构的效率比传统热管加鳍片的风冷散热器高出近900倍！这意味着当前PC散热器能够大幅瘦身，或者允许芯片发热量达到新高度。前者有利于笔记本电脑等小体积设备内部空间的进一步压缩。后者则可以允许台式PC芯片的规模大幅增长，而不必担心散热压力。