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播出工业控制计算机设备的维护简析(下)

2009-09-07 刘雪松 依马狮广电网


(接上期)
     2.散热片的用料及工艺
     首先我们可以通过肉眼直接判断散热器的用料做工及其制作工艺,用料做工及其制作工艺是最直接影响到散热效能的,所以细致观察、分析及对比散热器的用料做工也是评测散热器优劣的步骤之一。
     一般散热器上最常用的材质是铜和铝甚至铜铝结合散热,通过金属片的薄厚程度、表面光滑程度,以及排布设计,我们可以辨认出其做工优劣以及初步推断其性能。而散热器上常用的工艺包括:铝挤压工艺、回流焊接工艺、折叶工艺等等。
     铝散热器:并不是使用纯铝制成,纯铝的金属特性较软,硬度不高,并不适合单独使用。常用的铝散热器采用铝合金制成,强度较高,可塑性好,但是热传导率较低,比热较大,不能很快从CPU顶盖将热量传导过来,也就不能很快将热量从CPU散发到空气当中,因此并不十分理想。
     铜散热器:铜具有热传导率高,比热容小的特性,所以能够迅速将热量从芯片上带走,但是很难将热量散发到空气当中,因此铜散热器的散热也并不理想,需要配上高转速的风扇才能达到效果。而铜的金属特性决定了它加工比较困难,良品率低,而且市场上铜的价格居高不下,因此铜散热器也不是十分理想的散热器。
     铜铝结合散热器:结合铜吸热快,铝散热快的优势。并且使用少量的铜有效地控制了成本,随着工艺的日趋成熟,铜铝散热器将能很好满足我们对散热的要求。
     散热器的散热设计直接取决于散热器的用料,用料和散热设计都是散热器散热性能的重要基础条件,用料材质和散热设计的完美结合有利于充分发挥散热器的效能潜力。
     3.风扇的设计
     风扇的作用是利用空气气流带走积聚在散热器鳍片上的热量。风扇所产生的风量越大,单位时间内流过散热器表面的空气就越多,散热效果越显著。一般来说,风扇的电流越大,风扇的转速越高。但是风量的决定不仅要靠转速,还取决于扇页的角度。在扇页角度一定的情况下,转速越高,风量越高。就风扇而言,我们无法通过肉眼像选择散热器一样选择风扇,因此较好的选择方式是通过产品的技术参数来选择。

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     4.导热介质(导热硅脂)的选择及用法分析
     散热器底面无论怎么处理,这种机械工艺不可能做出完全标准的平整面,在CPU与散热器之间存在的沟壑或空隙总是不可避免的。存在于这些空隙中的空气对散热器的传导能力有着很大的影响。空气的热阻值很高,因此必须用其他物质来降低热阻,否则散热器的传导性能会大打折扣,甚至无法发挥作用。这便是导热介质的由来。它的作用就是填充热源如CPU与散热器之间大大小小的空隙,增大发热源与散热片的接触面积。
     (1)导热硅脂的性能参数
     由于导热硅脂属于一种化学物质,因此它也有反映自身工作特性的相关性能参数。
     ·工作温度
     工作温度是确保导热硅脂处于固态或液态的一个重要参数,温度过高,导热硅脂会因黏稠度降低而变成液态;温度过低,它又会因黏稠度增加变成固态,这两种情况都不利于散热。导热硅脂的工作温度一般在-50℃~180℃。对于导热硅脂的工作温度,一般不用担心,毕竟通过常规手段很难将CPU的温度超出这个范围。
     ·热传导系数
     与常用的散热器材质相比,导热硅脂的热传导系数要小很多,目前一般规范中,对导热硅脂的热传导系数要求最低为1.13W/mK,与铜的402W/mK相比,差距不可同日而语,但与空气的0.024W/mK相比,仍高了许多。由此也可见,散热器底面是否平滑是非常重要的。
      ·热阻系数
     热阻系数表示物体对热量传导的阻碍效果。热阻的概念与电阻非常类似,单位也与之相仿(℃/W),即物体持续传热功率为1W时,导热路径两端的温差。热阻显然是越低越好,因为相同的环境温度与导热功率下,热阻越低,发热物体的温度就越低。热阻的大小与导热硅脂所采用的材料有很大的关系。
     ·介电常数
     对于部分没有金属顶盖的CPU而言,介电常数是个非常重要的参数,这关系到计算机内部是否存在短路的问题。普通导热硅脂所采用的都是绝缘性较好的材料,但是部分特殊硅脂(如含银硅脂等)则可能有一定的导电性。当然,目前的CPU都加装了用于导热和保护核心的金属顶盖,因此不必担心导热硅脂溢出而带来的短路问题,但在涂抹时也必须注意不要将导热硅脂误涂到其他地方如主板上。一般散热器所用到的导热硅脂介电常数都大于5.1。
     ·黏度
     黏度即指导热硅脂的黏稠度。一般来说,导热硅脂的黏度在68左右。
     (2)如何使用导热介质
     大多数普通导热硅脂在使用一年或更长时间后,会出现“干化”或“硬化”现象,大大影响散热效果。因为硅脂硬化而出现龟裂、脱落等现象,使CPU金属顶盖出现导热不均现象,容易影响CPU的稳定运行。如图11所示,该图为安装散热器时硅脂涂抹过多,且不均匀,使多余的硅脂溢出,若溢出到主板则后果严重;同时,图中CPU金属顶盖中心区域堆积硅脂较多,说明所采用的劣质散热器底部不平。因此,要保证系统长期稳定地工作,定期清理并重新涂抹硅脂也是必要的。
     首先,我们在散热器底部接触面点上少量硅脂。然后我们用手指戴上干净的塑料套(防止杂质参入),然后使劲的来回按压,涂抹,尽可能将硅脂在受外力情况下完整填充坑槽,达到更大接触面积的目的。
     在CPU金属顶盖上也采用相同手法涂抹硅脂。如图12所示。

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     硅脂也并非一涂上就发挥最好的效果,涂上硅脂,在经过一段时间的启动,关机的冷热循环后,压出硅脂中的多余空气达到完全填充CPU和散热器之间的空隙时,导热效果才真正完全发挥。涂抹好硅脂后,即可按照散热器的安装方法将散热器安装。安装运行一段时间后,将散热器卸下,观察恰到好处的硅脂涂抹后,CPU顶盖及散热器底面的硅脂分布应该是图13所示的呈褶皱状态。

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五. 综合运用,维护设备
     经过几年来对播出工业控制计算机的运行维护经验的实践总结,该类设备的应用与维护要注意以下几点:
     1.系统设计:在系统设计时要考虑关键控制设备—工控机的冗余备份,一般为1+1热备,以应对突发的软、硬件故障导致播出事故;2.设备选型:对于播出工业控制计算机要求长时间不间断在线运行,因此对可靠性、稳定性要求比较高,不必追求过高的性能,有条件要选择大厂产品,以利于得到良好的售后维修和服务;3.监测报警:建立完善的监测报警系统,计算机系统的稳定运行是我们安全播出的重中之重,日常要做好对系统稳定运行的监测工作。例如,监测CPU内部温度传感器温度、外部温度传感器温度,由于电子器件及检测方法不同可能产生误差,但不应超过2℃;监测散热风扇转速,确保有足够的风量带走散热器上的热;4.人工巡查:完善值班规章制度,加强人工定期对设备的巡查,随时监看设备状态,尽早发现故障隐患,避免由于设备故障导致播出事故;5.定期维护:在我们日常对散热系统的维护中,由于散热器本身并无易磨损部件,因此将着眼点放在对风扇及散热硅脂的定期更换上。制定定期维护计划,例如风扇的寿命一般在20000~35000小时之间,设备24小时运行,因此对重点设备每28个月定期更换风扇,对周边设备每34个月定期更换风扇;导热硅脂的固化时间不易确定,因此随风扇更换。
CPU的散热问题只是整个计算机系统维护中的一小部分,我们更应通盘考虑,勤于分析,确保设备以及系统的正常运行。    (全文完)

参考文献:
1、《Intel? Pentium? Series Processor Thermal and Mechanical Design Guidelines》2009年1月,Intel公司
2、中关村在线网站散热器专区:power.zol.com.cn

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