臺式計算機(jī)CPU散熱器技術(shù)

1、僅供個人參考幻燈片1臺式計算機(jī)CPUt熱器技術(shù)王淼清華大學(xué)航天航空學(xué)院，北京幻燈片2Forpersonaluseonlyinstudyandresearch;notforcommercialuse1、背景介紹電子原件的發(fā)熱已經(jīng)成為了制約微電子技術(shù)的瓶頸。隨著技術(shù)的發(fā)展，個人計算機(jī)CPU的功率越來越高，有的已經(jīng)超過了100W考慮到CPU的幾何尺寸，CPU單位面積上的發(fā)熱量十分驚人。因此，CPU的散熱也越來越被人們重視。Forpersonaluseonlyinstudyandresearch;notforcommercialuse執(zhí)八、Forpersonaluseonlyinstudyandres

2、earch;notforcommercialuse幻燈片3這里主要介紹了：風(fēng)冷式：原理、應(yīng)用、傳熱強(qiáng)化方法（對于風(fēng)冷式散熱強(qiáng)化采用的屋檐設(shè)計進(jìn)行了數(shù)值模擬，說明了其強(qiáng)化原理。）水冷式：原理、應(yīng)用、傳熱強(qiáng)化方法熱管式：原理、應(yīng)用、傳熱強(qiáng)化方法各種散熱方式的優(yōu)缺點進(jìn)行了總結(jié)?；脽羝?2、風(fēng)冷式散熱技術(shù)幻燈片52.1 風(fēng)冷式散熱技術(shù)的原理風(fēng)冷式散熱技術(shù)是臺式計算機(jī)中運用最廣，也是最為成熟的散熱技術(shù)。目前絕大多數(shù)臺式計算機(jī)采用肋片散熱片與風(fēng)扇的組合方式實現(xiàn)對CPU的冷卻。氣體流向幻燈片62.2風(fēng)冷式散熱器的傳熱強(qiáng)化這種散熱形式的總熱阻由接觸熱阻、導(dǎo)熱熱阻、對流熱阻三部分組成:因而，要想增強(qiáng)CPUt熱效

3、果，就要試圖減小這三種熱阻。alRcontactRconductRconvect幻燈片72.2風(fēng)冷式散熱器的傳熱強(qiáng)化對于接觸熱阻：將散熱器與CPU壓緊。將CPU與散熱片的表面加工得平整光滑，這樣使得二者緊密接觸，減少接觸熱阻。另外一點就是在接觸面上涂抹塑性導(dǎo)熱材料，用導(dǎo)熱系數(shù)相對較高的材料填充散熱片與CPU之間的間隙，減少接觸熱阻?；脽羝?2.2 風(fēng)冷式散熱器的傳熱強(qiáng)化對于導(dǎo)熱熱阻：第一種途徑是采用導(dǎo)熱系數(shù)更高的材料。我們知道在常見金屬中，銀的導(dǎo)熱系數(shù)最高，但是價格也十分昂貴。在大多數(shù)情況下，出于成本考慮散熱器的材料主要是鋁合金；而在散熱量比較大（比如大功率CPU者超頻工作），或是要求穩(wěn)定運行

4、時（比如服務(wù)器），則需采用導(dǎo)熱系數(shù)更高，價格更高且更難以加工制造的銅制散熱器。第二種途徑是采用合理的散熱片形狀結(jié)構(gòu)。對于這種情況，通常需要考慮導(dǎo)熱和對流的耦合，將導(dǎo)熱熱阻和對流熱阻看作整體考慮。所以對于散熱片結(jié)構(gòu)的優(yōu)化將在下面與減小對流熱阻一并討論?；脽羝?2.2風(fēng)冷式散熱器的傳熱強(qiáng)化對于對流熱阻：通過對流換熱知識，我們知道，流體的流速越高，對流換熱能力越強(qiáng)。因此增加風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速一定能起到減小對流熱阻，加強(qiáng)對流換熱的作用。然而在臺式計算機(jī)CPUt熱的應(yīng)用中，并不是風(fēng)扇轉(zhuǎn)速越高越好。首先，過高的轉(zhuǎn)速會帶來更大的噪音；其次，風(fēng)扇轉(zhuǎn)速過高會顯著縮短其壽命，減小系統(tǒng)可靠性；此外風(fēng)扇轉(zhuǎn)速過高將會消耗更多的

5、功率，這也給供電系統(tǒng)提出了更高的要求。因此風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速是有限制的，通常情況下轉(zhuǎn)速從1000到8000轉(zhuǎn)每分鐘不等?；脽羝?02.2風(fēng)冷式散熱器的傳熱強(qiáng)化屋檐型吸熱底層的設(shè)計：對于傳統(tǒng)的風(fēng)冷式散熱片不論是吹風(fēng)也好，吸風(fēng)也好，在散熱片的中心區(qū)域都會形成一個空氣流動較少的高壓區(qū)（吹風(fēng)）或低壓區(qū)（吸風(fēng)），如果再加上軸流風(fēng)扇軸心風(fēng)力盲區(qū)的影響，此區(qū)域的范圍有時可以達(dá)到散熱片底面積的20%以上，倘若又遇到風(fēng)扇性能不濟(jì)，甚至可能整個肋片底部區(qū)域的空氣流動都非常微弱。此處的空氣受兩側(cè)氣流的影響，運動非?；靵y，雖然所形成的紊流可以與肋片進(jìn)行更多的熱交換，但由于流動不暢，熱量無法排出散熱片外；而且，此處往往是發(fā)熱設(shè)

6、備（例如CPU核心）所處位置，是散熱片熱量最為集中的部分，如不加以處理，會對性能造成相當(dāng)不利的影響。幻燈片112.2風(fēng)冷式散熱器的傳熱強(qiáng)化屋檐型吸熱底層的設(shè)計：不得用于商業(yè)用途散熱片CPU幻燈片122.2風(fēng)冷式散熱器的傳熱強(qiáng)化屋檐型吸熱底層的設(shè)計：數(shù)值模擬結(jié)果(a)未采用屋檐形式設(shè)計(b)采用屋檐形式設(shè)計散熱器周圍空氣速度場幻燈片132.2風(fēng)冷式散熱器的傳熱強(qiáng)化屋檐型吸熱底層的設(shè)計：數(shù)值模擬結(jié)果(a)未采用屋檐形式設(shè)計(b)采用屋檐形式設(shè)計散熱器周圍空氣溫度場幻燈片142.2風(fēng)冷式散熱器的傳熱強(qiáng)化屋檐型吸熱底層的設(shè)計：數(shù)值模擬結(jié)果在數(shù)值模擬中，未采用屋檐形式設(shè)計的CPUtl面溫度為361K,而

7、采用屋檐形式設(shè)計的CPU面溫度為356K,溫度降低5K。這又行1CPUO：熱是十分可觀的?；脽羝?52.2風(fēng)冷式散熱器的傳熱強(qiáng)化側(cè)吹風(fēng)設(shè)計：傳統(tǒng)的散熱器形式多為上吹風(fēng)或上抽風(fēng)設(shè)計。這樣就難免在CPU中間區(qū)域產(chǎn)生流動死區(qū)一一CPU中心處氣流速度過慢，阻礙CPUO：熱。雖然采取一定的措施，比如上面提到的屋檐形式設(shè)計可以減小這些流動死區(qū)，但是這種現(xiàn)象仍然會或多或少的出現(xiàn)。于是一種新型的散熱器設(shè)計一一側(cè)吹風(fēng)設(shè)計開始得到應(yīng)用?；脽羝?62.2風(fēng)冷式散熱器的傳熱強(qiáng)化放射狀設(shè)計：前面提到的散熱器優(yōu)化形式都是以增強(qiáng)散熱效果為目的的，而這里提到的放射式設(shè)計的出發(fā)點則是為了獲得更好的靜音效果?；脽羝?73、液冷式

8、散熱技術(shù)幻燈片183.1液冷式散熱技術(shù)簡介缺點：存在安全隱患有些液冷散熱器需要維護(hù)優(yōu)點：換熱能力強(qiáng)靜音工業(yè)應(yīng)用成熟幻燈片193.2液冷式散熱技術(shù)原理與應(yīng)用實例幻燈片204、熱管式散熱技術(shù)幻燈片214.1 熱管式散熱技術(shù)簡介目前，熱管在PC散熱器中的應(yīng)用越來越多，目前各大散熱器制造廠出貨的cput熱器中，已經(jīng)有15%以上的產(chǎn)品采用熱管，尤其是在高端產(chǎn)品上幾乎無一例外。熱管散熱器散熱能力強(qiáng)，不用采用大量銅，價格相對低廉，形式構(gòu)造多樣，不必?fù)?dān)心與機(jī)箱內(nèi)部設(shè)備發(fā)生干涉，適合機(jī)箱內(nèi)部布置，是一種十分有前途的CPUt熱形式。幻燈片224.2 熱管式散熱器的原理與應(yīng)用實例/口口口CPU熱管是利用液體相變吸熱

9、的原理來進(jìn)行熱傳遞的散熱原件。熱管結(jié)果分為蒸發(fā)段，絕熱段和冷凝段。液體在蒸發(fā)段吸收熱量蒸發(fā)形成蒸汽，通過絕熱段來到冷凝段放出熱量液化，再流會蒸發(fā)段循環(huán)工作?；脽羝?34.3 熱管式散熱器的原理與應(yīng)用實例對比風(fēng)冷散熱器和熱管散熱器，熱管散熱器只是在肋片末端埋有熱管。與風(fēng)冷散熱器相比，熱管散熱器肋片末端溫度更高。由傳熱學(xué)知識，肋片溫度越高，肋效率越高。熱管式散熱器正是利用了這一原理，強(qiáng)化了換熱。如果在需要換熱量較小時，可以適當(dāng)減小風(fēng)扇功率，以減小換熱器產(chǎn)生的噪音。熱管散熱器是如何強(qiáng)化散熱的呢？幻燈片245、各種散熱技術(shù)的比較與小結(jié)散熱性能靜音程度投入成本維護(hù)成本安全性風(fēng)冷散熱差低低高水冷散熱好較好高高低執(zhí)管散執(zhí)八、1=1口八八、好好高低高幻燈片25謝謝僅供個人用于學(xué)習(xí)、研究；不得用于商業(yè)用途。Forpersonaluseonlyinstudyandresearch;notforcommercialuse.Nurfurdenpers?nlichenfurStudien,Forschung,zukommerziellenZweckenverwendetwerden.Pourl