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半导体制冷原理与选购安装--昕龙春XLC推荐


半导体致冷法原理篇

www.xlc.cn 昕龙春XLC 转载自北方网专题

http://it.enorth.com.cn/system/2002/07/31/000386160.shtml

 

  看了前面两种散热方法,大家有没有发现什么不足之处?对了,那就是上面这两种散热方法并不能把CPU表面温度降至室温以下(水冷法可以通过在水中加冰块实现,但是太麻烦了),对于我们这些超频的爱好者来说,更低的温度就代表着CPU可以在更高的频率上稳定工作,所以本文的主角——半导体致冷法,隆重登场了。

  先来看一下半导体致冷法比起前两种方法的好处。1、最大的好处:可以把温度降至室温以下。2、精确温控:使用闭环温控电路,精度可达+-0.1°C。3、高可靠性:致冷组件为固体器件,无运动部件,因此失效率低。寿命大于二十万小时。4、工作时无声:与机械制冷系统不一样,工作时不产生噪音。

  再来看一下半导体致冷法的原理以及结构:

  半导体致冷器是由半导体所组成的一种冷却装置,於1960左右才出现,然而其理论基础Peltier effect可追溯到19世纪。如图是由X及Y两种不同的金属导线所组成的封闭线路。

  通上电源之後,冷端的热量被移到热端,导致冷端温度降低,热端温度升高,这就是著名的Peltier effect。这现象最早是在1821年,由一位德国科学家Thomas Seeback首先发现,不过他当时做了错误的推论,并没有领悟到背後真正的科学原理。到了1834年,一位法国表匠,同时也是兼职研究这现象的物理学家Jean Peltier,才发现背後真正的原因,这个现象直到近代随著半导体的发展才有了实际的应用,也就是[致冷器]的发明(注意,这种叫致冷器,还不叫半导体致冷器)。

  下面我们来看一下半导体致冷器的结构。

  由许多N型和P型半导体之颗粒互相排列而成,而N P之间以一般的导体相连接而成一完整线路,通常是铜、铝或其他金属导体,最後由两片陶瓷片像夹心饼乾一样夹起来,陶瓷片必须绝缘且导热良好,外观如右图所示,看起来像三明治(下图为实物图)。

正视图

侧视图

  什么是N型和P型半导体呢?感兴趣的朋友可以继续看,不感兴趣的朋友您可以跳过这段直接看下一页“如何选购和安装半导体致冷器”。

  N型半导体,任何物质都是由原子组成,原子是由原子核和电子组成。电子以高速度绕原子核转动,受到原子核吸引,因为受到一定的限制,所以电子只能在有限的轨道上运转,不能任意离开,而各层轨道上的电子具有不同的能量(电子势能)。离原子核最远轨道上的电子,经常可以脱离原子核吸引,而在原子之间运动,叫导体。如果电子不能脱离轨道形成自由电子,故不能参加导电,叫绝缘体。半导体导电能力介于导体与绝缘体之间,叫半导体。半导体重要的特性是在一定数量的某种杂质渗入半导体之后,不但能大大加大导电能力,而且可以根据掺入杂质的种类和数量制造出不同性质、不同用途的半导体。将一种杂质掺入半导体后,会放出自由电子,这种半导体称为N型半导体。

  P型半导体,是靠“空穴”来导电。在外电场作用下“空穴”流动方向和电子流动方向相反,即“空穴”由正板流向负极,这是P型半导体原理。

  载流子现象:N型半导体中的自由电子,P型半导体中的“空穴”,他们都是参与导电,统称为“载流子”,它是半导体所特有,是由于掺入杂质的结果。

  半导体制冷材料:不仅需要N型和P型半导体特性,还要根据掺入的杂质改变半导体的温差电动势率,导电率和导热率使这种特殊半导体能满足制冷的材料。目前国内常用材料是以碲化铋为基体的三元固溶体合金,其中P型是Bi2Te3—Sb2Te3,N型是Bi2Te3—Bi2Se3,采用垂直区熔法提取晶体材料。

半导体致冷法选购及安装篇

  目前市场上大约有40种不同尺寸规格的半导体制冷器大量现货供应,适用于CPU、3D显示卡、高速硬盘、芯片等,轻松地把温度降到零度!

  经我们初步实验,在不接CPU的时候,冷面温度可达零下15度!这个时候功耗也将达到最大值!最差情况下,把烫手的CPU、显卡芯片降到20度以下是没问题的。不过你一定要注意风扇的散热和良好的通风啊!

  制冷器型号繁多,适合不同之用途,现将选择方法介绍给大家:

  ▲选型要诀一:制冷片的参数有下面几个:

  功率:电源2v~15v,消耗电流3A-25A,最大功耗高达120W!一定要用400W的机箱电源或是另外用其它电源,防止烧毁!

  最大温差:冷面/热面的最大温度差,都在65~68度之间;

  最大电压:允许加的最大电压一般在0.8~15.4伏,超过这个电压不但不能制冷反而会制热!外形尺寸越小,这个允许电压也越小,跟厚度关系不大。

  制冷功率:当然越大越好,外形尺寸越大,制冷量越大,相同尺寸,一般是厚度越薄,制冷量越大,相应的电流也越大。不同型号的制冷量从0.8~120瓦!

  ▲选型要诀二:确定外形尺寸。大多数是方形从15x15mm到40x40mm,可根据不同芯片的大小来定。还有厚度问题,从3.2~4.5mm,由于制冷片要夹在芯片和散热片中间,所以如何固定要事先考虑好。

  ▲选型要诀三:确定制冷量。根据芯片的发热功率来选。比如早期的奔腾芯片,自身功耗达13w,那么理论上说只要有一个制冷量为13w的制冷片就可以把奔腾发出的热量全部吸收!实际上,大型制冷片的制冷量可高达40~68w!所以绝对能把CPU的热量吸得一干二净,哈哈哈!当然,代价是要给它提供足够的电源功率和良好的散热环境。

  选购完了自然就要安装了,由于现在市面上基本没有现成的针对CPU的半导体制冷设备,就需要我们充分发扬DIY精神来自己做一个了。下面我就把制作以及安装过程中的一些重点和注意事项给大家介绍一下。

  第一、不要搞错冷热端,要不然,您就等着给您的CPU收尸吧,分辨冷热端的方法很简单,通电以后摸一下就知道了。

  第二、半导体制冷快的热端一定要有良好的散热,因为它的冷端温度决定于它的热端温度,而且半导体制冷块是有一定的正常工作温度的,超出的话,就会烧毁。所以,半导体制冷快的热端要加装散热风扇或是水冷式散热器。

  第三、半导体制冷块的冷端不可以直接接触CPU表面,中间要放置辅助散热片,因为半导体制冷块的冷端一般都要比CPU的核心大不少,需要用辅助散热片把热从CPU的核心传导到半导体制冷快的冷端,有利于充分利用半导体制冷块。

  第四、半导体制冷块最好另外接电源,一是因为它的功率比较大,二是因为半导体制冷块需要开动一段时间才可以产生温差,如果另接电源的话可以在开机之前,先开动制冷块,为CPU提供一个非常好的低温环境。

  第五、小心“结露”现象发生,半导体制冷块的冷端达到足够冷的时候,空气中的水蒸气就会在其表面凝结成为水滴。北方的朋友可以比较放心,这种现象在北方不太容易发生,南方或是气候比较湿润地区的朋友可要注意了,如果水滴流到您的主板或是CPU上的时候,呵呵,到时候您可不要说我没有提醒过您哟。

  第六、各部分相接触的地方都要涂导热硅胶。

  装好以后应该是这个样子的,如下图。

 

    附件--

散 热 机 理

  应该是在初中学物理的时候吧,老师就告诉我们热的传导方式有三种:传导、对流、辐射。现在还记得老师当时讲给我们的例子,把一个汤勺一端放在热水中,你的手握住另一端,一会你就会觉得汤勺热,这就是传导。吹吹风,你就会觉得凉,这就是对流传热。而太阳光照射在你身上,你就会觉得温暖,这就是热辐射。当时只是有了一个大概的了解。

  上大学后,所学专业与热有一点关系,所以对它有了一些更专业一点的了解。

  对流是指透过热的物质的运动来实现热的传递。这意味着,热能是来自于被气体或者液体所包围热源,透过分子的移动来实现热能的传递的。我们可以采用在散热片上添加风扇的方法来实现强制对流。

  传导是指分子之间的动能交换,能量较低的粒子和能量较高的粒子碰撞从而获得能量(是透过物理的直接接触),单独的一块散热片是不能实现热能的传导的。总之,传导是散热片从CPU获得热量的最主要途径。

  辐射,就如其名字一样,是指热能从热源以电磁的形式(由光子传送)直接发散出去。辐射可以在真空中进行。辐射的传热效能取决于热源的材料以及表面的颜色。了解了概念,让我们来看看在计算机中最常用的的CPU散热都采用了什么热传导方式。(如下图)

  热由CPU传至散热片以及在散热片内部传递都属于热传导,由散热片传递到周围空间属于对流和辐射。

  对流是风扇/散热片组合制冷的主要方式。CPU产生的大部分的热都被风扇形成的对流所带走,只有很少很少的一部分热是透过辐射来散发出去的。

   

风冷散热法

  风冷式散热法就是我们平时最常见的散热方法,一个风扇加一个散热片就构成了一套风冷散热装置。它的发明我估计可以追溯到很久以前了,想当年老祖先吃烤肉时太烫,吹吹气让肉凉下来应该算是最早的风冷散热了吧。

  风冷式散热法是目前计算机散热使用最多,也是最成熟的方法,拆开您的主机箱,您可以在CPU、显卡、电源等等各处找到它的身影。

  让我们来看一下风冷式散热法主要的优缺点。优点:结构简单,价格低廉(比较其它散热方法),安全可靠、技术成熟。缺点:不能将温度降至室温以下,由于存在风扇的转动,所以有噪音,风扇寿命有时间限制。

  它的原理简单来说就是通过散热片将热传导出来,再通过风扇转动,加强空气流动,通过强制对流的方式将散热片上的热量传至周围环境。(如下图)辐射散热在此作用不是很大。

  由于风冷散热法是我们这次散热专题的主角,在后面会针对电脑不同部件对风冷散热法的安装和使用作比较详细的说明,在此就不罗嗦了。请各位同好继续往下看。

水冷散热法

  前面我们介绍了风冷散热法,这是一种最为常见,也是安装最为简便的方法。但是它的散热效果一般,只能应付一般的应用。对于超频爱好者来说,风冷散热就有点力不从心了。那么我就给大家介绍另一种散热效果出众的散热方法——水冷散热法。大家也许早就听说过国外的超频发烧友曾经用水冷甚至油冷来给CPU散热,但是目前国内使用的还不是很多,也许和它的价格以及较为复杂的安装方式有关。

  一套水冷散热系统是由散热器、水管及一个水泵组成。另外,针对不同类型的CPU(可用于Socket7/赛羊/毒龙/雷鸟/PII/PIII等几乎所有类型的CPU),还附送了几个不同的卡具以方便紧密卡在CPU上。大家可以从图上看到,散热器有一个进水口及出水口。散热器内部有多条水道,这样可以充分发挥水冷的优势,能带走更多的热量。

  相信大家看到这里已经明白了这个水冷系统的工作原理。将散热器的进、出水口接上水管,然后其中一条水管接到水泵上,再把水泵放进一个盛满水的桶里,通电试验确信连接正确没有漏水的情况后,再把散热器底部涂上导热硅脂后用相应的卡具卡到CPU底座上即可开始工作。

  水冷系统的优缺点是显而易见的。首先来讲讲它的优点:水冷的散热效果要比风冷系统好,据其说明书上说,与涡轮风扇散热温度相比还要低最少10度;水冷系统因为没有风扇,所以不会产生振动,这样的话您就不用再担心CPU核心会被劣质风扇产生的振动磨坏了,同时噪声也小。

  再来看看缺点:水冷散热器所需的外围“支持系统”非常庞大,怎么着您也得准备一个能盛十升水的水桶吧,这么一个大家伙放在电脑桌旁,大热天的,一不小心踢翻了,后果不堪设想呀;在电脑开机前必须先把水泵的电源插上,感觉不点不方便,要不然,CPU死得就惨喽,要想克服这个缺点,你就得发扬DIY精神,用个继电器什么的与主机电源做个控制系统,一劳永逸:);万一散热器有个头痛脑热的,一不小心再流点鼻涕,那个水泵的扬程可是一米呀,那俺的电脑就稀里哗啦了(这个概率可能比较小);同时,水冷容易结露。还有一点就是价格,要比风扇贵很多,一套系统的售价最少得一百多块,有点贵。

  应该说水冷散热设备的优点还是大于缺点的。如果您也想体验一下超频后的急速快感的话就去试试吧。

新生代--热管散热器

  “热管”--一个神秘又新鲜的技术,对于每个超频和电脑爱好者来说,这门技术在大家的心目中,肯定是一项新生技术。在这个CPU散热器需要“安静”的电脑世界里,似乎不用风扇的散热器是比较受欢迎的。例如,思民(Zalman)公司所推出的无声散热器系列,就是采用了无CPU风扇,完全是靠机箱风扇或者是机箱对流过的空气来代替CPU风扇的。其实,热管散热器的原理也跟这个构思并没有多大的出入。

  对于热管的来历,想必大家也想了解一下吧?这里就简单的介绍一下,根据以往的记录,1963年,George M.Grover科学家第一个发明并且成功的制造出了热管。不过,通用汽车就早在1935年就申请了类似于这种元件的专利(这个也是历史记载,至于是真是否,大家可以去查证一下)。直到20世纪的60年代,热管才普遍的受到人们的重视,逐渐成为一种提高传热效率的元件,热管受到了众多国家的重视。在这之前,热管的造价也是相当的昂贵。在20世纪80年代之前,热管的客户还是政府、卫星上的系统等等一些高端科技和重要部门的身上,所以,对于广大的电脑爱好者的消费者来说,买热管是属于比较奢侈的做法。但是,到了20世纪80年代,作为高端电子产品的散热设备,热管逐渐被市场接受。随着热管在这个大家的心目中普及,增长的需求降低大大降低了热管的制造成本(毕竟物以稀为贵,既然是热门产品,当然就便宜了,例如我们所使用的CPU)。降低成本后的热管就使得散热设备的设计者们可以将热管应用于更多的产品中。到了近期的十多年,热管开始被用于大量的家用电器,当中也不乏CPU散热器的开发。

  从上面的图片我们可以清楚地看到贯穿整个散热器的四根热导管。这种导管并不是普通的实心管,里面填充了特制的液态导热介质。具体的工作原理是这样的:热管两端产生温差的时候,蒸发端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。在极端的情况下,蒸发速度可能可以接近音速。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--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,甚至上百倍。应用这种方式可以用极快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。

  热管技术充分体现了未来散热器的发展趋势:散热效果好,噪音低,使用寿命长。目前唯一要解决的就是价格问题,随着技术水平的提高,大规模工业生产,热管必将成为未来主流散热器产品,是下一代散热器的首选技术。

液氮制冷法

   液氮散热法目前在国外比较流行,那些外国“大虾”喜欢用液氮这种危险的东西冷却被疯狂超频后的CPU,但其效果是非常理想的。但不管怎样,零下一百多度的液态氮可不是好玩儿的。

  

  相关连接:Intel:2.4G P4疯狂超频,成绩再创新高

软件降温法

  一工作原理

  降温软件的工作原理其实很简单,因为一般我们在使用文字处理软件或是上网时,会占用到很少CPU的资源。而散热软件可以让CPU在没有工作或是工作比较清闲的时候,让CPU休息一会,这样一来CPU耗电量就会减少,相对的温度就会降低啦!

  二、深入解释

  不如让笔者再解释完整一点,如果要让CPU在不需要使用的时候休息,那么就得设计并安装一套CPU控制软件在操作系统中,并让它取得最优先的权限。接下来它需要不断地监视CPU的外来指令(也就是呼叫CPU工作),如果没有,那么它会呼叫一个HLT指令,此项指令就是使CPU进入暂停模式,这样CPU就会暂时停止运作。如果你学过基本的程序设计(如BASIC、PASCAL、C++),那么你应该就很容易知道它是怎么去设计并执行的。

  如果这个监视程序侦测到有外来指令时,那么它就会叫醒CPU,使其恢复处理工作。而此监视程式同时继续不断地监视着CPU是否有接受外来的指令,而当没有的时候,就再让CPU进入暂停模式了。

  工作原理很简单,而且以软件来操控CPU处于工作或是暂停模式,是不会有坏处的。而且您也不用担心它的切换速度不够快,它可是在很快的时间之内完成切换的动作喔!而这样的程序一定得取得最优先的权限,否则就失去它的工作意义。事实上Windows操作系统是多么地不重视CPU的效率问题!只可惜目前的Windows98或95并没有内建这样的功能,所以身为玩家的我们必须另外安装这样的软件。

  目前较常见的这些降温软件有三种;分别是CPU Idle、Rain、Waterfall Pro。CPUidle是最先设计出来的降温软件,而另外两者则是较晚推出的软件。其实这些程序的基本工作原理都差不多,差别是在于它们如何取得最优先权与手段。另外还有一些主板厂商所设计出来的降温程序,如微星的Soft Cooler II等等。它们也是很棒的降温软件(不过在使用前请注意一下它们是否可以适用在您的主机板上)!

  安装降温程序前要先注意的是这些软件是否支持您的CPU,基本上您的CPU它们会支持,只不过是一但新的CPU推出时,如果这些软件没有升级的话,那么可能就不能工作喔!

  三、重点说明

  如果您光只想靠软件降温的方法是行不通的,毕竟它只能当作降温的辅助工具。因为当CPU在超频时,如果它正处于忙碌状态时,降温系统就帮不上忙了。所以想超频还是得靠风扇或是水冷系统等硬件来帮忙,这样才能彻底解决CPU工作所产生的高温问题!

 


 

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