畢業(yè)論文正文CPU散熱器的發(fā)展現(xiàn)狀

1、 . PAGE1 / NUMPAGES201 緒論1.1 CPU散熱器的發(fā)展現(xiàn)狀綜觀目前國外散熱技術(shù)的研究進(jìn)展可知：隨著CPU產(chǎn)熱的熱流密度的不斷提高，傳統(tǒng)的風(fēng)冷散熱己無法滿足CPU穩(wěn)定工作的需求，而其它幾種散熱方式雖然散熱效果有所提高，但均存在一些弊端，如技術(shù)不成熟、效率低、價(jià)格昂貴、存在不安全隱患等1。因此，要想成為在市場(chǎng)上通用認(rèn)可的CPU散熱設(shè)備，還需要進(jìn)一步的研究開發(fā)、繼續(xù)完善與改進(jìn)。針對(duì)目前CPU蕊片發(fā)熱量大、空間構(gòu)造緊湊散熱難的特點(diǎn)，本文的研究即是為了滿足當(dāng)今與未來電腦CPU芯片散熱的需求，對(duì)具有極強(qiáng)換熱能力的毛細(xì)微槽群作為熱沉的相變換熱系統(tǒng)微槽群相變散熱器所進(jìn)行的研究2。為了保證

2、CPU正常有效的工作，就必須進(jìn)行有效的散熱設(shè)計(jì)，將其在工作是產(chǎn)生的大量熱量與時(shí)的帶走，以確保CPU芯片的核與表面溫度維持在相對(duì)較低的水平，確保這些高速、高功率的芯片能夠正常工作。1.2 CPU散熱器的分類CPU散熱按其散熱方式分為主動(dòng)式散熱和被動(dòng)式散熱兩種3。主動(dòng)式散熱方式就是通過使用較好的熱傳導(dǎo)材料(例如：鋁，銅)制成的散熱片將CPU散發(fā)的熱量直接傳導(dǎo)出來，然后借助熱輻射、自然對(duì)流方式自然地將熱量散發(fā)至周圍環(huán)境中去，其散熱效果和散熱片的面積大小成正比。因?yàn)槭亲匀簧l(fā)熱量，效果不是很好。在早期筆記本電腦中，采用的就是這種主動(dòng)式散熱，也就是說，CPU的冷卻就是通過散熱片將CPU的熱量通過散熱板、

3、預(yù)留散熱孔、鍵盤等自然對(duì)流的方式帶來外界環(huán)境中去。因此對(duì)于采用主動(dòng)式散熱的散熱器的設(shè)計(jì)包括翼片或者其它能夠用來增加表面積的凸起物，以求能夠提供滿足有效熱耗散的散熱表面積。這種散熱方式最大的好處就是不需要額外耗電，不需要擔(dān)憂風(fēng)扇發(fā)生障礙的危險(xiǎn)，且結(jié)構(gòu)和散熱方法簡單。但目前隨著CPU的散熱功率不斷增加，這種主動(dòng)式散熱方式已經(jīng)不能滿足現(xiàn)代計(jì)算機(jī)CPU的冷卻散熱的需求，所以現(xiàn)在幾乎在所有的CPU冷卻領(lǐng)域中都采用的是被動(dòng)式散熱方式。被動(dòng)式散熱是利用風(fēng)扇等散熱設(shè)備將散熱片上的熱量強(qiáng)制性帶走，這種散熱方式的特點(diǎn)是散熱效率高，設(shè)備體積小。被動(dòng)式散熱方式，根據(jù)其散熱介質(zhì)的不同，可分為翅片散熱、液冷散熱、熱管散熱

4、、半導(dǎo)體制冷散熱和壓縮機(jī)制冷散熱等五種散熱方式。由于翅片式散熱器的結(jié)構(gòu)簡單(但有風(fēng)扇噪音)，價(jià)格低廉(比較其它散熱方法)，安全可靠，技術(shù)成熟，對(duì)CPU來說翅片式散熱器已經(jīng)足夠之所以被廣泛應(yīng)用。目前市面上普遍采用的翅片式散熱如圖1-1所示4，本文研究的對(duì)象是翅片式的CPU散熱器，以下著重介紹翅片散熱。圖1-1 翅片散熱器1.3 影響翅片式CPU散熱器效果的因素翅片式散熱器的工作效果受很多因素的影響，可行的改善辦法主要有通過使用散熱器件來增大散熱面積；通過提高風(fēng)速，改善氣流組織，采用對(duì)流換熱或沸騰換熱等途徑來增大對(duì)流換熱系數(shù)；采用低溫送風(fēng)或直接應(yīng)用制冷系統(tǒng)來獲得較大的溫差等5。目前主要是通過增大散

5、熱面積、提高風(fēng)扇轉(zhuǎn)速來提高散熱器的散熱能力，但由于當(dāng)前CPU芯片的散熱表面尺寸遠(yuǎn)小于貼附其上的散熱器，靠近熱源端更近的中部翅片具有的導(dǎo)熱能力更強(qiáng)，承擔(dān)著主要散熱任務(wù)，能更快將CPU熱量傳遞給在風(fēng)力作用下的整個(gè)散熱片，兩側(cè)翅片作用較小，為了增加中部區(qū)域的散熱面積而采用長翅片將使得翅片肋傳熱故率降低，既增加了散熱器重量，又削弱了強(qiáng)化傳熱效果，即使是使用導(dǎo)熱系數(shù)很高的銅也顯得力不從心6。若提高風(fēng)扇的功率、轉(zhuǎn)速，就會(huì)使得風(fēng)扇體積、噪音增大，而且當(dāng)風(fēng)扇發(fā)生故障時(shí)，可能導(dǎo)致CPU芯片在短時(shí)問因無法與時(shí)散發(fā)熱量而燒壞。因此，翅片式散熱器的進(jìn)風(fēng)對(duì)其換熱效果具有較強(qiáng)的影響7。1.4 本文的工作綜合上面的各種因素

6、，本文要研究翅片式散熱器的進(jìn)風(fēng)對(duì)其換熱的影響，改善CP散熱。依靠專用風(fēng)扇冷卻CPU的空氣強(qiáng)迫對(duì)流主動(dòng)式散熱器因其結(jié)構(gòu)簡單，安裝簡便，成本較低，散熱效果明顯，適應(yīng)性強(qiáng)，產(chǎn)品更新?lián)Q代靈活等特點(diǎn)成為當(dāng)今散熱技術(shù)的主流本論文針對(duì)一般用戶CPU的散熱功率進(jìn)行散熱設(shè)計(jì)。目前常用的計(jì)算機(jī)CPU功率一般在60W95W之間，CPU允許的最高溫度在7080之間，超過80可能造成永久性損壞。所以在設(shè)計(jì)過程中翅片基底溫度必須保持在70以下。2 實(shí)驗(yàn)設(shè)備的選定2.1熱電偶的選定2.1.1 熱電偶測(cè)溫的基本原理熱電偶溫度計(jì)是由熱電偶、顯示儀表和連接導(dǎo)線所組成。它被廣泛用來測(cè)量-200-1300圍的溫度，用特殊材料制成的熱

7、點(diǎn)偶還可以測(cè)量高達(dá)3000或低至4K的溫度.熱電偶 具有性能穩(wěn)定，結(jié)構(gòu)簡單，使用方便，經(jīng)濟(jì)耐用，體積小和容易維護(hù)等優(yōu)點(diǎn)8。通過熱電偶并能將溫度信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，便于信號(hào)的遠(yuǎn)傳和實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)切換測(cè)量。因此在工業(yè)生產(chǎn)和科學(xué)研究領(lǐng)域中都廣泛使用熱電偶來測(cè)量溫度。熱電偶測(cè)溫的基本原理是基于金屬導(dǎo)體的熱電效應(yīng)。熱電效應(yīng)產(chǎn)生的電勢(shì)是由兩種不同效應(yīng)引起的，即拍爾帖(Peltier)效應(yīng)和湯姆遜(Thomson)效應(yīng)。熱電偶測(cè)溫的原理見圖2-1。圖2-1 熱電偶測(cè)溫原理圖（1）塞貝克效應(yīng)熱電偶是由兩種成分不同的導(dǎo)體(或半導(dǎo)體)連接在一起構(gòu)成的感溫元件。在由兩種導(dǎo)體A. B組成的閉合回路(見圖2-1)中，如果兩端結(jié)

8、點(diǎn)的溫度不同，在回路中就將產(chǎn)生一定大小的電流，這個(gè)電流的大小與導(dǎo)體材料的性質(zhì)以與結(jié)點(diǎn)溫度有關(guān)。一般常把上述現(xiàn)象稱為塞貝克(Seebeek)熱電效應(yīng)。熱電效應(yīng)產(chǎn)生的電勢(shì)EAe (T, To)的方向和大小，取決于兩個(gè)接點(diǎn)的溫度和組成熱電偶的材料。當(dāng)兩接點(diǎn)的溫度分別為T, T。時(shí)，回路的熱電勢(shì)為: （2-1）式中，, 為接點(diǎn)的分熱電勢(shì);T, T。為兩接點(diǎn)所處的溫度:A, B為兩種熱電極材料。（2）拍爾帖效應(yīng)各種導(dǎo)體中都存在著大量的自由電子，不同導(dǎo)體自由電子的密度也不同，當(dāng)兩種金屬連接在一起時(shí)，在結(jié)點(diǎn)處就要發(fā)生電子擴(kuò)散，電子密度大的金屬的自由電子就要向電子密度小的導(dǎo)體擴(kuò)散。這時(shí)電子密度大的金屬由于失去

9、電子而具有正電位;相反，電子密度小的金屬由于獲得了擴(kuò)散來的多余電子而帶負(fù)電，這種擴(kuò)散一直到動(dòng)態(tài)平衡為止。此時(shí)具有一定的穩(wěn)定的接觸電勢(shì)，該接觸電勢(shì)除與材料的性質(zhì)有關(guān)外，還與結(jié)點(diǎn)溫度有關(guān)。所以回路中的總接觸電勢(shì)為:(2-2)式中，Em (T)為A, B兩種材料在溫度為T時(shí)的接觸電勢(shì)；K為波爾茲曼常數(shù);e為電子荷；，為材料A和B在溫度為T時(shí)的自由電子密度。（3）湯姆遜效應(yīng)對(duì)于單一均質(zhì)導(dǎo)體，當(dāng)兩端溫度不同時(shí)，兩端也將有一定大小的電勢(shì)。產(chǎn)生的原因是，在不同溫度下，自由電子具有不同的動(dòng)能，溫度高時(shí)能動(dòng)大，動(dòng)能大的電子就會(huì)向溫度較低的一端跑去，所以在同一導(dǎo)體當(dāng)兩端溫度不同時(shí)，兩端也會(huì)產(chǎn)生一定大小的電位差(湯

10、姆遜電勢(shì))。此現(xiàn)象稱為湯姆遜效應(yīng)(是可逆的)。兩種材料的A,B構(gòu)成熱電偶產(chǎn)生的總熱電勢(shì)包括兩個(gè)拍爾帖電勢(shì)和兩個(gè)湯姆遜電勢(shì)，即: (2-3)上式簡化后得: (2-4)即熱電偶在兩端存在溫度差時(shí)，其輸出的熱電勢(shì)是兩個(gè)溫度函數(shù)的差，如果其中一個(gè)溫度(例如參考端)為0時(shí)，則其熱電勢(shì)與待測(cè)溫度T呈單值函數(shù)關(guān)系。2.1.2 熱電偶的分類熱電偶的分類方法有多種，一般是按熱電偶的材料、用途和結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行分類9。(1)根據(jù)熱電偶材料分類:廉金屬熱電偶：銅一康銅熱電偶 貴金屬熱電偶：鉑鍺系列熱電偶鐵一康銅熱電偶 銥鍺系列熱電偶鎳鉻一鎳鋁熱電偶 鉑銥系列熱電偶鎳鉻一鎳銅熱電偶 銥釘系列熱電偶難溶金屬熱電偶：鎢徠系列

11、熱電偶 非金屬熱電偶：石墨一炭化妮熱電偶 鎢鑰系列熱電偶 二硅化鎢一二硅化鉑熱電鋸欽系列熱電偶 硼花泥一碳化錯(cuò)熱偶銥鎢系列熱電偶 銥釘系列熱電偶(2)按熱電偶的用途分類：專用熱電偶：多點(diǎn)式熱電偶 普通工業(yè)用熱電偶：直形 表面熱電偶 角形薄膜熱電偶 錐形快速微型熱電偶防暴熱電偶(3)按熱電偶的結(jié)構(gòu)形式分類：專用熱電偶：普通型熱電偶愷裝熱電偶密封式熱電偶高壓固定螺紋式熱電偶根據(jù)資料介紹，迄今為止，人們已對(duì)300多種熱電偶材料的組合進(jìn)行過系統(tǒng)研究，其中巧種熱電偶在工業(yè)上得到廣泛應(yīng)用，并己批量生產(chǎn)，成為標(biāo)準(zhǔn)化產(chǎn)品。在我國，己制定國家標(biāo)準(zhǔn)(GB)的熱電偶材料有9種;正在制定國家專業(yè)標(biāo)準(zhǔn)(ZBN)的有3種

12、，其中有8種是國際化標(biāo)準(zhǔn)品種。標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶所謂標(biāo)準(zhǔn)熱電偶是指國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了其熱電勢(shì)與溫度的關(guān)系、允許誤差、并有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)分度表的熱電偶，它有與其配套的顯示儀表可供選用。非標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶在使用圍或數(shù)量級(jí)上均不與標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶，一般也沒有統(tǒng)一的分度表，主要用于某些特殊場(chǎng)合的測(cè)量。我國從1988年1月1日起，熱電偶和熱電阻全部按IEC國際標(biāo)準(zhǔn)生產(chǎn)，并指定S, B, E, K, R, J, T, N 8種標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶為我國統(tǒng)一設(shè)計(jì)型熱電偶。2.1.3 T型熱電偶的原理與制作銅-康銅熱電偶屬于廉金屬熱電偶, 其正極為純銅(TP), 負(fù)極為康銅(銅鎳) 合金(TN)。在低溫狀態(tài)普遍應(yīng)用的一種熱電偶, 測(cè)溫圍-

13、 200300, 熱電極絲的均勻性好,穩(wěn)定性高,靈敏度好,價(jià)格低廉,分度號(hào)為鎧裝型熱電偶是將熱電極絲裝在有絕緣材料的金屬套管中,經(jīng)組合加工成可彎曲的堅(jiān)實(shí)的組合體,再依所需長度截?cái)?對(duì)其測(cè)量端和參考端進(jìn)行加工即制成鎧裝型熱電偶。該種熱電偶可以做得很細(xì)很長,在使用中可隨測(cè)量需要而彎曲。其測(cè)溫圍寬,響應(yīng)速度快, 熱接點(diǎn)處的熱容量小,使用壽命長。同時(shí)其機(jī)械強(qiáng)度高, 耐壓性能高,適應(yīng)性廣,繞性大,安裝使用方便,應(yīng)用極其廣泛。銅絲具有高純度(99.999%以上),康銅的成分是60%銅和40%鎳。銅-康銅熱電偶(T型)的制作10需要以下一些工具和輔助裝置:熱電偶電焊機(jī)、導(dǎo)線。而用作熱電偶的材料銅絲和康銅絲,

14、它們的長度根據(jù)使用要求,即根據(jù)被插入溫度場(chǎng)的深度決定。直徑可根據(jù)響應(yīng)速度要求確定,對(duì)要求響應(yīng)速度快的熱電偶,直徑宜細(xì)。注意兩種絲的直徑盡量一致。制作時(shí)先按圖2-2將待焊的銅絲、康銅絲一端絞在一起成麻花狀。再按裝置圖2-2接線,將絞合端和電池碳棒接近。把電壓由零向上調(diào)。觀察絞合端處是否放電,如迅速放電起弧,絞合端燒紅,則電壓合適(30-40V)。若電壓過高,則會(huì)引起漸射。待絞合端熔成球狀時(shí),迅速離開碳棒,這樣熱電偶制作就可成功。圖2-2 裝置圖和焊接圖2.2 采集板卡的選定板卡是用在采集溫度，我用的是ADAM-4017，它有很多優(yōu)點(diǎn)，結(jié)構(gòu)簡單，使用方便，用途廣泛。ADAM-4017是我們的主要采

15、集數(shù)據(jù)的部件，圖2-3所示。ADAM-4017模塊是一種置微控制器，變送器與計(jì)算機(jī)接口的智能設(shè)備用戶可通過計(jì)算機(jī)RS485通訊協(xié)議發(fā)出ASCII碼專用命令集對(duì)模塊進(jìn)行遙控。模塊具有信號(hào)調(diào)理，隔離，量程調(diào)整，A/D轉(zhuǎn)換，D/A轉(zhuǎn)換，數(shù)據(jù)比較與數(shù)據(jù)通訊功能，并具有數(shù)字量I/O直接控制繼電器與TTL器件功能。ADAM-4017支持6路差分，2路單端信號(hào)，輸入圍+/-150mV，+/-500mV， +/-1V，+/-5V，+/-10V，+/-20mA。如果測(cè)試電流信號(hào)，需要在該通道的輸入端口并聯(lián)-125歐姆的精密電阻。圖2-3 ADAM4017的簡圖單一模塊可提供多種輸入圍與形態(tài)。例如模擬量輸入模塊可

16、通過軟件設(shè)定，接受多種類型與圍的信號(hào)，因此單一模塊可完成多種不同任務(wù)，增加系統(tǒng)設(shè)計(jì)的彈性。2.3 采集系統(tǒng)軟件的選定(1)LabVIEWLabVIEW概念LabVIEW是一種程序開發(fā)環(huán)境，由美國國家儀器（NI）公司研制開發(fā)的，類似于C和BASIC開發(fā)環(huán)境，但是LabVIEW與其他計(jì)算機(jī)語言的顯著區(qū)別是：其他計(jì)算機(jī)語言都是采用基于文本的語言產(chǎn)生代碼，而LabVIEW使用的是圖形化編輯語言G編寫程序，產(chǎn)生的程序是框圖的形式。LabVIEW主要特點(diǎn) 盡可能采用了通用的硬件，各種儀器的差異主要是軟件。 可充分發(fā)揮計(jì)算機(jī)的能力，有強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理功能，可以創(chuàng)造出功能更強(qiáng)的儀器。 用戶可以根據(jù)自己的需要定義

17、和制造各種儀器。 LabVIEW實(shí)際上是一個(gè)按照儀器需求組織的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。LabVIEW的研究中涉與的基礎(chǔ)理論主要有計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)采集和數(shù)字信號(hào)處理。與C和BASIC一樣，LabVIEW也是通用的編程系統(tǒng)，有一個(gè)完成任何編程任務(wù)的龐大函數(shù)庫。LabVIEW的函數(shù)庫包括數(shù)據(jù)采集、GPIB、串口控制、數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)顯示與數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，等等。LabVIEW也有傳統(tǒng)的程序調(diào)試工具，如設(shè)置斷點(diǎn)、以動(dòng)畫方式顯示數(shù)據(jù)與其子程序（子VI）的結(jié)果、單步執(zhí)行等等，便于程序的調(diào)試。 (2)MCGSMCGS概念MCGS(Monitor and Control Generated System)是一種用于快速構(gòu)造和生成嵌入式

18、計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的組態(tài)軟件，它的組態(tài)環(huán)境能夠在基于Microsoft的各種32位Windows平臺(tái)上運(yùn)行，運(yùn)行環(huán)境則是在實(shí)時(shí)多任務(wù)操作系統(tǒng)WindowsCE中運(yùn)行。通過對(duì)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)的采集處理，以動(dòng)畫顯示、報(bào)警處理、流程控制和報(bào)表輸出等多種方式向用戶提供解決實(shí)際工程問題的方案，在自動(dòng)化領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。MCGS適應(yīng)于應(yīng)用系統(tǒng)對(duì)功能、可靠性、成本、體積、功耗等綜合性能有嚴(yán)格要求的專用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。MCGS主要功能簡單靈活的可視化操作界面。MCGS軟件采用全中文、可視化、面向窗口的開發(fā)界面，符合中國人的使用習(xí)慣和要求。以窗口為單位，構(gòu)造用戶運(yùn)行系統(tǒng)的圖形界面，使得MCGS的組態(tài)工作既簡單直觀，又靈活多變

19、。用戶可以使用系統(tǒng)的缺省構(gòu)架，也可以根據(jù)需要自己組態(tài)配置，生成各種類型和風(fēng)格的圖形界面，包括DOS風(fēng)格的圖形界面和標(biāo)準(zhǔn)Windows風(fēng)格的圖形界面。實(shí)時(shí)性強(qiáng)、有良好的并行處理性能。MCGS是真正的32位系統(tǒng)，充分利用了32位WindowsCE操作平臺(tái)的多任務(wù)、按優(yōu)先級(jí)分時(shí)操作的功能，以線程為單位對(duì)在工程作業(yè)中實(shí)時(shí)性強(qiáng)的關(guān)鍵任務(wù)和實(shí)時(shí)性不強(qiáng)的非關(guān)鍵任務(wù)進(jìn)行分時(shí)并行處理，使嵌入式PC機(jī)廣泛應(yīng)用于工程測(cè)控領(lǐng)域成為可能。例如，MCGS在處理數(shù)據(jù)采集、設(shè)備驅(qū)動(dòng)和異常處理等關(guān)鍵任務(wù)時(shí)，可在主機(jī)運(yùn)行周期時(shí)間插空進(jìn)行像打印數(shù)據(jù)一類的非關(guān)鍵性工作，實(shí)現(xiàn)并行處理。豐富、生動(dòng)的多媒體畫面。MCGS以圖像、圖符、報(bào)表

20、、曲線等多種形式，為操作員與時(shí)提供系統(tǒng)運(yùn)行中的狀態(tài)、品質(zhì)與異常報(bào)警等相關(guān)信息；用大小變化、顏色改變、明暗閃爍、移動(dòng)翻轉(zhuǎn)等多種手段，增強(qiáng)畫面的動(dòng)態(tài)顯示效果；對(duì)圖元、圖符對(duì)象定義相應(yīng)的狀態(tài)屬性，實(shí)現(xiàn)動(dòng)畫效果。MCGS還為用戶提供了豐富的動(dòng)畫構(gòu)件，每個(gè)動(dòng)畫構(gòu)件都對(duì)應(yīng)一個(gè)特定的動(dòng)畫功能。完善的安全機(jī)制。MCGS提供了良好的安全機(jī)制，可以為多個(gè)不同級(jí)別用戶設(shè)定不同的操作權(quán)限。此外，MCGS還提供了工程密碼，以保護(hù)組態(tài)開發(fā)者的成果。強(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)功能。MCGS具有強(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)通訊功能，支持串口通訊、Modem串口通訊、以太網(wǎng)TCP/IP通訊，不僅可以方便快捷的實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸，還可以通過Web瀏覽功能，在整個(gè)企

21、業(yè)圍瀏覽監(jiān)測(cè)到整個(gè)的生產(chǎn)信息，實(shí)現(xiàn)設(shè)備管理和企業(yè)管理的集成；多樣化的報(bào)警功能。MCGS提供多種不同的報(bào)警方式，具有豐富的報(bào)警類型，方便用戶進(jìn)行報(bào)警設(shè)置，并且系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)顯示報(bào)警信息，對(duì)報(bào)警數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)與應(yīng)答，為工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)安全可靠地生產(chǎn)運(yùn)行提供有力的保障。實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫為用戶分步組態(tài)提供極大方便。MCGS由主控窗口、設(shè)備窗口、用戶窗口、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫和運(yùn)行策略五個(gè)部分構(gòu)成，其中實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫是一個(gè)數(shù)據(jù)處理中心，是系統(tǒng)各個(gè)部分與其各種功能性構(gòu)件的公用數(shù)據(jù)區(qū)，是整個(gè)系統(tǒng)的核心。各個(gè)部件獨(dú)立地向?qū)崟r(shí)數(shù)據(jù)庫輸入和輸出數(shù)據(jù)，并完成自己的差錯(cuò)控制。在生成用戶應(yīng)用系統(tǒng)時(shí)，每一部分均可分別進(jìn)行組態(tài)配置，獨(dú)立建造，互不相干。支

22、持多種硬件設(shè)備，實(shí)現(xiàn)“設(shè)備無關(guān)”。MCGS針對(duì)外部設(shè)備的特征，設(shè)立設(shè)備工具箱，定義多種設(shè)備構(gòu)件，建立系統(tǒng)與外部設(shè)備的連接關(guān)系，賦予相關(guān)的屬性，實(shí)現(xiàn)對(duì)外部設(shè)備的驅(qū)動(dòng)和控制。用戶在設(shè)備工具箱中可方便選擇各種設(shè)備構(gòu)件。不同的設(shè)備對(duì)應(yīng)不同的構(gòu)件，所有的設(shè)備構(gòu)件均通過實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫建立聯(lián)系，而建立時(shí)又是相互獨(dú)立的，即對(duì)某一構(gòu)件的操作或改動(dòng)，不影響其它構(gòu)件和整個(gè)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，因此MCGS是一個(gè)“設(shè)備無關(guān)”的系統(tǒng)，用戶不必因外部設(shè)備的局部改動(dòng)，而影響整個(gè)系統(tǒng)。方便控制復(fù)雜的運(yùn)行流程。MCGS開辟了“運(yùn)行策略”窗口，用戶可以選用系統(tǒng)提供的各種條件和功能的策略構(gòu)件，用圖形化的方法和簡單的類Basic語言構(gòu)造多分支的應(yīng)

23、用程序，按照設(shè)定的條件和順序，操作外部設(shè)備，控制窗口的打開或關(guān)閉，與實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，實(shí)現(xiàn)自由、精確地控制運(yùn)行流程，同時(shí)也可以由用戶創(chuàng)建新的策略構(gòu)件，擴(kuò)展系統(tǒng)的功能。良好的可維護(hù)性。MCGS系統(tǒng)由五大功能模塊組成，主要的功能模塊以構(gòu)件的形式來構(gòu)造，不同的構(gòu)件有著不同的功能，且各自獨(dú)立。三種基本類型的構(gòu)件（設(shè)備構(gòu)件、動(dòng)畫構(gòu)件、策略構(gòu)件）完成了MCGS系統(tǒng)的三大部分（設(shè)備驅(qū)動(dòng)、動(dòng)畫顯示和流程控制）的所有工作。用自建文件系統(tǒng)來管理數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，系統(tǒng)可靠性更高。由于MCGS不再使用ACCESS數(shù)據(jù)庫來存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，而是使用了自建的文件系統(tǒng)來管理數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。設(shè)立對(duì)象元件庫，組態(tài)工作簡單方便。對(duì)象元件庫，實(shí)際

24、上是分類存儲(chǔ)各種組態(tài)對(duì)象的圖庫。組態(tài)時(shí)，可把制作完好的對(duì)象（包括圖形對(duì)象、窗口對(duì)象、策略對(duì)象以至位圖文件等）以元件的形式存入圖庫中，也可把元件庫中的各種對(duì)象取出，直接為當(dāng)前的工程所用，隨著工作的積累，對(duì)象元件庫將日益擴(kuò)大和豐富。這樣解決了組態(tài)結(jié)果的積累和重新利用問題。組態(tài)工作將會(huì)變得越來越簡單方便。MCGS的特點(diǎn)容量小：整個(gè)系統(tǒng)最低配置只需要2M的存貯空間，可以方便的使用DOC等存貯設(shè)備；速度快：系統(tǒng)的時(shí)間控制精度高，可以方便地完成各種高速采集系統(tǒng)，滿足實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)要求；成本低：系統(tǒng)最低配置只需要主頻為24M的386單板計(jì)算機(jī)、2M DOC，4M存，大大降低設(shè)備成本；穩(wěn)定性高：無硬盤，置看門狗

25、，上電重啟時(shí)間短，可在各種惡劣環(huán)境下穩(wěn)定長時(shí)間運(yùn)行；功能強(qiáng)大：提供中斷處理，定時(shí)掃描精度可達(dá)到毫秒級(jí)，提供對(duì)計(jì)算機(jī)串口，存，端口的訪問。并可以根據(jù)需要靈活組態(tài)；通訊方便：置串行通訊功能、以太網(wǎng)通訊功能、Web瀏覽功能和Modem遠(yuǎn)程診斷功能，可以方便地實(shí)現(xiàn)與各種設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)交換、遠(yuǎn)程采集和Web瀏覽；操作簡便：MCGS與其他軟件相比，它不但有簡單易學(xué)的優(yōu)點(diǎn)，還增加了靈活的模塊操作，以流程為單位構(gòu)造用戶控制系統(tǒng)，使得MCGS的組態(tài)操作既簡單直觀，又靈活多變；支持多種設(shè)備：提供了所有常用的硬件設(shè)備的驅(qū)動(dòng)；有助于建造完整的解決方案：MCGS組態(tài)環(huán)境運(yùn)行于具備良好人機(jī)界面的Windows操作系統(tǒng)上，可

26、有效幫助用戶建造從設(shè)備，現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控工作站到企業(yè)生產(chǎn)監(jiān)控信息網(wǎng)在的完整解決方案；并有助于用戶開發(fā)的項(xiàng)目在這三個(gè)層次上的平滑遷移。MCGS與LabVIEW相比，最大的有點(diǎn)是MCGS兼容ADAM 4017，而LabVIEW不兼容ADAM 4017，所以我選了MCGS。3 實(shí)驗(yàn)臺(tái)設(shè)計(jì)3.1 實(shí)驗(yàn)臺(tái)的整體設(shè)計(jì)以前的試驗(yàn)臺(tái)是空氣橫掠圓管強(qiáng)制對(duì)流試驗(yàn)臺(tái)，本文把中間的圓管換成了CPU散熱器，還編寫程序用ADAM4017，MCGS采集了溫度信號(hào)。試驗(yàn)臺(tái)由風(fēng)機(jī)，散熱器，加熱膜，穩(wěn)壓電源，斜壓管，安培表，電壓表，ADAM4017，計(jì)算機(jī)，通風(fēng)道組成，圖3-1所示。圖3-1 實(shí)驗(yàn)臺(tái)結(jié)構(gòu)示意圖3.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)備介紹3.2.

27、1 熱電偶熱電偶是利用熱電勢(shì)與溫度的函數(shù)關(guān)系來測(cè)溫的。因此,每只熱電偶使用時(shí),必須標(biāo)定其熱電勢(shì)與溫度的對(duì)應(yīng)關(guān)系。標(biāo)定中一般使用電位差計(jì)來測(cè)量熱電偶的熱電勢(shì),而溫度則從與被標(biāo)定的熱電偶捆扎在一起的,測(cè)溫端置于同一溫度點(diǎn)的標(biāo)準(zhǔn)熱電偶得到。要注意的是,即使是同種材料制作的熱電偶,由于工藝原由,其關(guān)系曲線也可能有差別。圖3-2是表中數(shù)據(jù)在直角坐標(biāo)系中的描點(diǎn)情況和用直系擬合的情況。從圖3-2中可以看出,標(biāo)定中的各數(shù)據(jù)點(diǎn)基本在同一直線上。這說明所制作的銅康銅熱電偶具有較好的線性關(guān)系。這一線性關(guān)系的具體函數(shù)關(guān)系式為: （3-1）根據(jù)式3-1 ,在這種熱電偶適用的溫度圍就可以從熱電偶的熱電勢(shì)得到其相應(yīng)的溫度。

28、圖3-2 擬合曲線3.2.2 采集系統(tǒng)圖3-3 熱電偶標(biāo)記和采集流程圖本實(shí)驗(yàn)的采集系統(tǒng)是用MCGS做出來的，可以直接得出結(jié)構(gòu)，快捷，方便。圖3-4 采集系統(tǒng)界面圖3-5 采集系統(tǒng)數(shù)據(jù)顯示界面3.2.3 測(cè)試部件圖3-6 測(cè)試部件由于翅片組結(jié)構(gòu)對(duì)稱，本文取兩片翅片組成的通道進(jìn)行研究。測(cè)試設(shè)備的形狀結(jié)構(gòu)如圖3-6所示，空氣從兩肋片之間流過。測(cè)試設(shè)備中測(cè)試溫度元件是熱電偶，它布置在模型部，熱電偶布置在模型的空氣進(jìn)口處和出口處，分兩組布置，每組有兩個(gè)熱電偶，分別布置在翅片的中部和根部。另外在翅片組前后的進(jìn)風(fēng)和出口位置各布置一個(gè)熱電偶用來測(cè)量進(jìn)出口的空氣速度。3.3 實(shí)驗(yàn)測(cè)試過程由于CPU冷卻一般是采用

29、軸流風(fēng)扇加散熱器的冷卻方式。該實(shí)驗(yàn)將散熱器放在圓形截面形狀的風(fēng)道中進(jìn)行研究,對(duì)散熱器進(jìn)行送風(fēng),如圖2所示,風(fēng)道長度足夠使來流充分發(fā)展,以便電球式熱風(fēng)速計(jì)測(cè)量風(fēng)速。采用電阻絲模擬實(shí)際的CPU芯片發(fā)熱,將其置于保溫盒中,使其產(chǎn)生的熱量幾乎全部由散熱器導(dǎo)出。散熱器與發(fā)熱裝置間放有云母片和2mm厚的銅板,在銅板上布置T型熱電偶測(cè)量散熱器底部中央溫度,近似為CPU表面溫度。散熱器與銅板間涂上導(dǎo)熱硅脂,填充散熱片下表面與銅板表面之間的細(xì)小縫隙,把CPU所產(chǎn)生的熱量迅速均勻地傳遞給散熱片,從而最大限度的增加散熱片與CPU的接觸面積,使散熱效果達(dá)到最佳。實(shí)驗(yàn)通過接觸式調(diào)壓器改變輸入功率和風(fēng)機(jī)送風(fēng)量,測(cè)量在不同

30、功率、不同風(fēng)速下的CPU表面溫度,利用溫度計(jì)測(cè)量進(jìn)出口風(fēng)溫。4 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與結(jié)果4.1 數(shù)據(jù)處理對(duì)整個(gè)換熱系統(tǒng)做熱平衡分析可以得到，（4-1）式中， 加熱膜片產(chǎn)生的總熱量/W；通過對(duì)流換熱由翅片組傳遞給空氣的熱量/W； 絕熱箱與測(cè)試段外部面對(duì)外界環(huán)境的熱損失（主要是絕熱箱通過保溫材料的熱傳導(dǎo)損失以與測(cè)試段外表面向外界輻射熱量）/W；翅片組向風(fēng)洞壁面的輻射熱量/W。實(shí)驗(yàn)過程中，由于采用了良好的保溫措施，絕熱箱通過保溫材料的熱傳導(dǎo)損失很小，近似可以忽略；因?yàn)榻^熱材料外表面溫度與空氣溫度近似相等且貼有0.02mm厚的鋁箔膠帶，通過保溫材料向外表面的輻射熱量近似可以忽略，即有。風(fēng)洞測(cè)試段壁面貼有0.02

31、mm厚的鋁箔膠帶，用以隔熱、減少熱輻射，因此翅片組向風(fēng)洞壁面的輻射熱量也近似可以忽略，即。所以式4-1可近似的簡化為。本實(shí)驗(yàn)所用翅片，其材料的導(dǎo)熱系數(shù)較高，翅片較厚，初步的數(shù)值模擬結(jié)果表明翅片溫度沿其高度方向變化很小，翅片效率接近100，因此在實(shí)驗(yàn)測(cè)量過程中，采用翅片中部溫度代替翅片表面的平均溫度，忽略翅片效率對(duì)換熱的影響。翅片組換熱平均努塞爾數(shù)Nu，雷諾數(shù)Re為：（4-2）（4-3）式中，翅片組的當(dāng)量直徑/m；，翅片組表面和翅片組根部的平均溫度/K；定性溫度，取進(jìn)出口空氣平均溫度/K；空氣導(dǎo)熱系數(shù)/ Wm-1K-1；翅片組的表面面積/m2；翅片組的根部面積/m2。通過翅片組的平均速度/ms-

32、1。在實(shí)驗(yàn)中，各翅片間的通道相似且均具有對(duì)稱性，因此可只取一半通道研究，如下圖4-1。將整個(gè)通道的換熱折算到翅片上，可以用下式給出的當(dāng)量直徑來計(jì)算平均努塞爾數(shù)Nu和雷諾數(shù)Re。 （4-4）式中，H翅片的高度/m；翅片厚度/m。 圖4-1 研究區(qū)域經(jīng)過這樣的折算之后，計(jì)算得到的 平均努塞爾數(shù)Nu和雷諾數(shù)Re只與翅片本身的參數(shù)翅高和翅片厚度有關(guān)。4.2 數(shù)據(jù)分析本文在給定的翅片組結(jié)構(gòu)尺寸下通過改變加熱功率和進(jìn)風(fēng)空氣流量得出了Nu與Re的關(guān)系，如下圖4-2所示。從圖中可以看到在一樣的加熱功率下Nu隨Re的增大而增大，且滿足的關(guān)系。這是由于進(jìn)風(fēng)的空氣流量增大導(dǎo)致通道流體流速增大，增強(qiáng)了對(duì)翅片組的沖刷，

33、從而強(qiáng)化了換熱。圖4-2 加熱功率10W時(shí)圖4-3 加熱功率30W時(shí)圖4-4 加熱功率50W時(shí)將不同加熱功率不同空氣流量的情況進(jìn)行對(duì)比得到圖4-5，從圖中可以看出隨著加熱功率的增大Nu也是增大的，但隨著加熱功率的增大，Nu數(shù)的增大趨勢(shì)越來越平緩。這一點(diǎn)也可以從圖4-2，4-3，4-4中得到的擬合公式中的系數(shù)比較得出。圖4-5 不同加熱功率，不同進(jìn)風(fēng)量時(shí)由以上的結(jié)果可以看出加熱功率和風(fēng)速是CPU換熱的主要因素，隨之加熱功率的提高換熱量也增加，所以我們必須提高風(fēng)速。如果加熱功率大，風(fēng)速小就會(huì)燒壞CPU，所以我們用CPU時(shí)首先知道工作功率，然后根據(jù)工作功率選擇CPU的風(fēng)扇。5 結(jié)論與展望本文針對(duì)目前

34、普通用戶的CPU散熱器，在最大發(fā)熱量情況下進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，以達(dá)到減少耗材的同時(shí)散熱效果增加。通過做實(shí)驗(yàn)計(jì)算，得到了翅片式散熱器的影響因素。通過做實(shí)驗(yàn)計(jì)算，得出肋片的溫度，其它的條件下，證明工作功率和風(fēng)速直接影響CPU的溫度；合理的工作功率和流量，加強(qiáng)對(duì)流換熱，降低CPU的工作溫度。當(dāng)然，本設(shè)計(jì)也存在一些不足之處，并未考慮到，不同的翅片間距，不同的間距等等問題。正常情況下CPU風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速可以隨CPU的輸入電流的大小進(jìn)行控制，減小電量損耗。另外由于時(shí)間有限，本文未能得出翅片的最佳間距以與最佳開縫比，以后進(jìn)一步研究可以從這幾方面進(jìn)行。總之，畢業(yè)設(shè)計(jì)作為對(duì)大學(xué)本科四年所學(xué)知識(shí)的綜合利用，讓我獲益頗豐，從

35、中學(xué)到了許多。致 本課題是在導(dǎo)師穎莉老師的精心指導(dǎo)和督促下完成的，她那嚴(yán)謹(jǐn)?shù)闹螌W(xué)態(tài)度，勇于探索的開創(chuàng)精神，和對(duì)學(xué)生的滿腔愛護(hù)之情，深深地感動(dòng)著我、鼓勵(lì)著我，并教導(dǎo)著我在今后工作中要孜孜以求，不懈努力!在本論文進(jìn)行過程中，明白了論文的制作，掌握了強(qiáng)制對(duì)流的原理，試驗(yàn)臺(tái)的改造，感穎莉老師給與我的指導(dǎo)和幫助，感我身邊的同學(xué)們和指導(dǎo)過我的老師。參考文獻(xiàn)1 風(fēng)清揚(yáng).CPU散熱原理與方式J.電腦開發(fā)與應(yīng)用，2001年,第8卷（第5期）:134-135.2 巧玲，賀建華.熱管在筆記本電腦散熱中的應(yīng)用J.電腦開發(fā)與應(yīng)用,第12卷(第2 期):39-41.3 殷際英.一種熱管式CPU芯片散熱器的原理結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)J.

36、電腦開發(fā)與應(yīng)用，2004年，第2卷(第1期):105-107.4 程迎軍，羅樂等.多芯片組件散熱的三維有限元分析J.電子元件與材料,2004,(5)5 余鵬.CPU散熱器溫度場(chǎng)與流場(chǎng)的實(shí)驗(yàn)研究和數(shù)值模擬D.:交通大學(xué)，2002.6徐超，何雅玲，衛(wèi)衛(wèi)，齊永強(qiáng).現(xiàn)代電子器件冷卻方法研究動(dòng)態(tài)J.制冷與空調(diào),2003,3(4):10-17.7 建臣，周智剛，文彬新型銅鋁爆炸復(fù)合CPU散熱器的研制J.計(jì)算機(jī)工程與應(yīng)用.2006.42(32):92-94.8 子惠.熱工測(cè)量與自動(dòng)控制M,，1996.9 華，文柱.熱工測(cè)量儀表M,冶金工業(yè)，2007.10 立，唐超群.大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)M，華中科技大學(xué)，2001年

37、6月.目 錄 TOC o 1-3 h z u HYPERLINK l _Toc2634373121 緒論 PAGEREF _Toc263437312 h 1HYPERLINK l _Toc2634373131.1 CPU散熱器的發(fā)展現(xiàn)狀 PAGEREF _Toc263437313 h 1HYPERLINK l _Toc2634373141.2 CPU散熱器的分類 PAGEREF _Toc263437314 h 1HYPERLINK l _Toc2634373151.3 影響翅片式CPU散熱器效果的因素 PAGEREF _Toc263437315 h 2HYPERLINK l _Toc2634373161.4 本文的工作 PAGEREF _Toc26