来自羽毛的灵感！Thinkpad散热设计解析

panpan · 发表于 2009-9-4 11:55

Thinkpad笔记本不朽经典的不仅仅是键盘设计，良好的散热效果更是被用户所津津乐道的地方，今天我们就接着带大家来解析Thinkpad笔记本的散热设计。
　　

中村聪伸负责了ThinkPad T系列的结构和散热设计
　　ThinkPad品牌诞生于1992年。当时，中村聪伸就在大和实验室从事个人笔记本电脑的结构设计，接着担当了ThinkPadT系列的结构设计。而就在同时，在系统设计的基础上，又出现了CPU热设计功耗（TDP）的问题。本该在提高CPU性能时解决TDP，但是公司内部普遍认为工程师无暇顾及散热设计。于是公司专门成立了一个负责热设计的小组，于是中村在2004年成为这个小组的领导者。
　　

优秀的散热设计应该考虑到四个因素：CPU温度、散热装置的重量、噪音和整体性能
　　说到中村负责设计的ThinkPad T系列，首先不得不说的是hight-endmodel（高端产品）。T系列集合大和实验室的各种先进技术，用中村的话说就是“如同汽车行业中的F1”，其散热系统采用了先进技术。对于解开ThinkPad散热系统的历史秘密，恐怕没有比中村更合适的人选了。他向我们说明了支持ThinkPad的各项热设计技术，包括热管、风扇、系统整体设计三个方面。
　　

ThinkPad散热设计的发展历史

　　● 热管——来自于冰淇淋勺的灵感

　　从下面的年表可以看出，热管（heat pipe）最初被用在了ThinkPad755C上。这款笔记本搭载的CPU为486DX4（75MHz），与之前采用的CPU相比，TDP增加2倍。“TDP从1.5瓦增加到3.3瓦，现在来说没什么，但在当时对于我们来说却是很大的新闻了”中村说道。
　　

热管技术首先用于ThinkPad 755C笔记本上
　　那时的ThinkPad，从750C（搭载80486SL／33MHz处理器）到755C，进行局部修改的产品开发尚且空间狭窄，大幅结构设计变更更是不可能。DX4登场的同时，搭载散热风扇的个人笔记本电脑马上席卷全世界，但是中村却毅然舍弃了散热风扇的解决方案。对于其中的缘由，中村解释说“当时散热风扇的可靠性还比较低，消耗电力，噪音比较大，觉得没什么可行之处”。
　　

谁能想到，热管的灵感竟然来自冰淇淋勺
　　虽然局部修改空间受到了限制，但用以散热的冷却系统却必须配备，于是引人注目的heat pipe应运而生。Heatpipe比单纯的铜的热传导率高5至7倍。中村解释，虽然heatpipe的原理和太空站表层的导热设计以及路面防冻技术有关联，但这一开发的决定因素是访美时看到的ice-creamserver（冰淇淋勺）。美国的冰激凌是装在一种桶状的容器里的，抱着桶吃冰激凌时，握着汤匙样子的冰淇淋勺，手的热量会瞬间传到勺的顶端，这样就会融合勺子周围的冰淇淋，让进食更加方便。看到这个的时候他非常吃惊。中村于是想到利用能瞬间传导热量的heatpipe，他认为这将是独一无二的，回国后便开始着手这一开发。
　　

热管的工作原理
　　但是，最初heat pipe冷却系统的实用化过程并不顺利。当初，这种被成为微型heatpipe的冷却系统从负责生产的代工厂那边来的供给量很少，月产台数远不如预期，因此开发小组曾一度面临解散的可能。但是，ThinkPad品牌作为采用了最先端技术的个人笔记本电脑而受到用户的好评，中村相信heat pipe技术在将来必将得到发展。
　　

ThinkPad 755C上热管工作原理

ThinkPad G40上使用的Vaper Chamber Heat Pipe技术，将热管植入笔记本外壳里
　　问题在于供给量。中村说“我们要使用heatpipe，就必须追随生产商”，并以此来说服代工厂设立工厂。“不得了了，他们说‘为了这个开发而去建一个40至50亿规模的工厂，真的值得吗’，当我听到他们这样说时，我在想，难道我真的太年轻了吗？”，中村笑着讲述着当时的情况。就这样，ThinkPad开始了真正的热设计。

　　● 羽毛的秘密——散热风扇的应用

　　但是，为了应对持续上升的CPU温度，ThinkPad最终还是使用了散热风扇。之前拒绝使用风扇的中村转而投入了散热风扇的开发，其中的理由之一便是提高静音性的“Hydro Dynamics Bearing”技术在当时看来已具可行性。事实上，几乎在与最初搭载风扇的ThinkPad760XD发售的同时（1997年），Hydro Dynamics Bearing风扇的开发便已经开始着手，翌年的ThinkPad600以及以后的型号便开始采用。
　　

ThinkPad 760XD笔记本首次使用散热风扇
　　现在，各种各样的风扇被开发出来，其中比较独特的是2005年被实用化的静音技术「Silent Owl Blade」。ThinkPadT60之后采用的风扇，具有运转时呈现刃状的特征。中村说：“猫头鹰在捕捉老鼠等对声音敏感的小动物时，飞行得非常安静。这其中就有机密。”猫头鹰翅膀后缘的每根小羽毛很特别，对翅膀全体起到重要作用。风扇根据这一原理，开发出将扇叶集中起来抵消噪音的技术。
　　

有2个入风口的「Double Inlet」设计，
也有叶片部分完全露出的「Exposed Ring」构造等

风扇叶片的结构设计灵感来自与鸟类的羽毛
　　利用猫头鹰翅膀后缘羽毛的形状来消减噪音的设想来源于新干线的设备，Owl Blade是世界上首次采用散热风扇这样运转的。之后，根据风扇和刃状物形状的不同进行噪音的模拟，找出最适的形状，这使得同样风力下削减了3.5分贝的噪音。

　　● ThinkPad将继续走高端路线

　　Thermal Hinge及OwlBlade等，将独特理念产品化的中村认为散热设计中最重要的是各冷却部件的整合以及产品的最优化。他说，仅仅只是高性能的heatpipe和高性能风扇的配置是不能得到高性能的冷却效果的，它必须是一个合成的技术。另外，根据系统的各个部分，对风扇扇叶的数量及形状做最合适的改变。

新的散热设计
　　这种整合技术包括风扇和heat pipe一体化的「Fan＆Heat PipeHybrid」，以及重量和热传导平衡使用铝和铜的「Material Hybrid」，采用这一技术的ThinkPad600登场了。中村说，在这个型号上，面向个人笔记本的散热装置的基本概念已经完成，现在ThinkPad的散热系统就是在这个基础上发展起来的。

T61底部设计了新的进风口
　　另外，最新的ThinkPad T61采用了通风断热构造（为了抑制出风口附近的温度，在底面设置了3个进风口，为风扇和heat sink 输送冷气）。

通风断热构造示意图
　　中村说，T60和T61相比，后者CPU的电力消耗虽然比前者高，但是底部温度却比前者低了大约5度。如果T61没有缝隙，要保证同样的温度则需确保增加15%的风量，这样的话就要将风扇的厚度增加2厘米，噪音增加2分贝，这样的技术是没有必要的。他强调，追求新技术的ThinkPad的散热设计是不会牺牲重量和噪音量。

T61与T60散热结构对比
　　另一方面，最优化的技术实际上能够在一个系列里通用。因为系统各部分的不同要求设计也要有所不同，同样的ThinkPadT61中因为CPU的选择不同，风扇和heatsink的fin的材料也会不同。因为风扇频率和扇叶数量的变化，抑制噪音的“猫头鹰之翼”的形状也会变化。总之，配置单中CPU稍变，风扇中的扇叶的形状就得相应变化。

　　为了适应这种最优化，和散热部件的生产商的协作必须非常紧密。中村说：“比如说，风扇生产商只专注于他们的工作，而不了解整个系统，这样是不能实现正真的最优化。和冷却设备的制造商一起研究整个系统是必要的。很多规则和技术是归属于风扇制造商的，即使最终技术流向其他个人电脑制造商也没有问题，ThinkPad一如既往的走先端路线。”中村的话显露出ThinkPad的自信。他最后补充道：“我们坚持这样一种设计理念——绝不牺牲性能，今后我们将开发更加优秀的散热设备的基础技术。”