CPU風(fēng)扇散熱器散熱效果分析

CPU風(fēng)扇散熱器散熱效果分析

前言近年來(lái),隨著計(jì)算機(jī)微處理器(CPU)逐漸朝小型化、高功能化和高頻化的趨勢(shì)開展,相對(duì)地,其單位體積所散出的熱量(發(fā)熱密度)愈來(lái)愈高,因此電子散熱的問(wèn)題也愈來(lái)愈受到重視。CPU在工作時(shí)會(huì)產(chǎn)生很多的熱量，如散熱不好將會(huì)產(chǎn)生極高的溫度，從而導(dǎo)致系統(tǒng)工作不穩(wěn)定，甚至造成CUP的損壞，無(wú)論是為了保持系統(tǒng)的穩(wěn)定，還是為了挖掘系統(tǒng)的潛力(如超頻)，CPU的散熱都是一件很重要的事情。CPU散熱器散熱方式散熱分為被動(dòng)與主動(dòng)兩種。被動(dòng)式散熱是通過(guò)散熱片將CPU產(chǎn)生的熱量自然散發(fā)到空氣中,其散熱的效果與散熱片的面積成正比,這種散熱方式簡(jiǎn)單且平安可靠,但散熱效果不理想,難于適用當(dāng)前CPU散熱的需要。主動(dòng)式散熱

利用風(fēng)扇或泵體等設(shè)備將散熱片上的熱量以強(qiáng)制對(duì)流的方式帶走,這種散熱方式散熱效率高,是目前CPU散熱的主要方式。

這種散熱方式的優(yōu)點(diǎn)是散熱效率高，而且設(shè)備體積小，是目前給CPU散熱的主要方式。根據(jù)其散熱介質(zhì)的不同，又可分為風(fēng)冷散熱、水冷散熱、半導(dǎo)體制冷散熱、熱導(dǎo)管散熱和化學(xué)制冷散熱等四種方式。

風(fēng)冷散熱

是現(xiàn)在最為常見(jiàn)且使用率最高也是最成熟的方法的一種散熱方式，這種散熱方式可以解決我們通常的散熱需要，技術(shù)成熟并且價(jià)格適中，因而被普遍使用。它的原理是通過(guò)散熱片將熱傳導(dǎo)出來(lái)，再通過(guò)風(fēng)扇轉(zhuǎn)動(dòng)，加強(qiáng)空氣流動(dòng)，通過(guò)強(qiáng)制對(duì)流的方式將散熱片上的熱量傳至周圍環(huán)境。

風(fēng)扇散熱器主要種類

a.平直型b.放射型c.新型

平直型放射型新型散熱效果與比較分析(1)平直型平直型散熱器的具體尺寸和材料為:底板:厚度為0.7cm，長(zhǎng)和寬都為10cm:肋片:共25片，每片高為6cm，寬為0.16cm，長(zhǎng)為10cm;流體區(qū)域:在散熱器周圍0.5cm處建立流體區(qū)域邊界，即流體區(qū)域?yàn)殚L(zhǎng)寬高分別為11cm，11cm，7.7cm的立方體減去散熱器的局部;采用c傳統(tǒng)的鋁來(lái)做散熱器的材料。圖中流體區(qū)域上邊界中圓環(huán)面為流體區(qū)域的入風(fēng)口，圓環(huán)面內(nèi)外半徑分別為1.75mc和3.7cm。流體區(qū)域四個(gè)側(cè)面及上邊界除入風(fēng)口外的其余局部合為出風(fēng)口，而流體區(qū)域底面，我們模擬和CUP接觸的主板。

放射型

散熱器總體為圓柱形,為取得更好的散熱效果，在散熱器中心設(shè)有一銅制內(nèi)芯，也為圓柱形，外圍肋片為鋁。

為了使設(shè)置的三個(gè)散熱器的尺寸根本一致。所以在本例中放射狀散熱器的具體尺寸為:

固體區(qū)域:設(shè)散熱器圓柱整體高度為6.7cm，圓柱半徑為5cm，內(nèi)置銅芯半徑1.5cm。肋片共48個(gè)，每片厚度為0.1cm，軸對(duì)稱排列。

流體區(qū)域:在散熱器周圍0.5cm處建立流體區(qū)域邊界，即流體區(qū)域?yàn)楦邽?.7cm，半徑為5.5cm的圓柱(不含散熱器局部)。如以下圖:

風(fēng)扇為七個(gè)扇葉，內(nèi)外半徑和平直型入風(fēng)口的內(nèi)外半徑一樣，為1.75cm和3.5新型

散熱器總體為圓柱形，總體為銅質(zhì)材料，為減輕散熱器的重量，在散熱器中心設(shè)有一鋁制內(nèi)芯，也為圓柱形，外圍肋片為銅。

新型散熱器的具體尺寸為:

為了能使本論文中的三個(gè)散熱器散熱效果具有可比性，我們?cè)O(shè)置三個(gè)散熱器的尺寸根本一致。設(shè)散熱器圓柱整體高度為6.7cm，圓柱最大半徑為5.1cm，內(nèi)置鋁芯半徑1.5cm。流體區(qū)域:在散熱器周圍0.3cm(上部為0.2cm)處建立流體區(qū)域邊界，即流體區(qū)域?yàn)楦邽?.2cm，半徑為5.4cm的圓柱(不含散熱器局部)。共有60個(gè)鰭片，每片厚度為0.1cm。如以下圖(4.3.2):我們模擬的風(fēng)扇為七個(gè)扇葉，內(nèi)外半徑和平直型入風(fēng)口的內(nèi)外半徑一樣，為1.75cm和3.5cm。三個(gè)散熱器散熱過(guò)程的比較

因?yàn)樯徇^(guò)程一般可以分為吸熱、導(dǎo)熱、散熱三個(gè)步驟，那么我們就從這三個(gè)方面來(lái)比較上述三個(gè)散熱器:

吸熱能力的比較

吸熱能力，即散熱器吸收CPU所發(fā)出熱量的能力。從材料方面比較，雖然鋁的定壓比熱(cp=871J/(kg·k))比銅(cp=381J/(kg·k))要高，但是銅的密度要比鋁大得多，因此相同體積下，銅要比鋁材料儲(chǔ)熱要多。比較三個(gè)散熱器，平直型為鋁材料，另外兩個(gè)都為銅鋁合制的散熱器，在這一方面平直型散熱器在儲(chǔ)熱能力上就比另外兩個(gè)散熱器要差。圖5.1為三種散熱器的總體溫度分布圖，因?yàn)闇囟确植贾鶢顖D中包含流體的溫度，而在三個(gè)例子中流體溫度都比較小，在圖中主要占據(jù)低溫局部，而圖中a的溫度主要集中在低溫段，離CUP最高溫度的距離比較遠(yuǎn)，b中溫度除去低溫段后主要集中在高溫段，離CUP最高溫度比較近，且高溫段占有很高的百分比，c中除去低溫段后，溫度分布比較平均，高溫段略多。所以我們可以推斷出，放射型散熱器的儲(chǔ)熱能力比較好，而平直型散熱器的儲(chǔ)熱能力那么較差。導(dǎo)熱能力的比較

在導(dǎo)熱能力方面，同樣，鋁的導(dǎo)熱系數(shù)為202.4w/(m·k)，而銅的導(dǎo)熱系數(shù)為386.7w/(m·k)，銅鋁合制的散熱器導(dǎo)熱能力也強(qiáng)于鋁制的散熱器。

可見(jiàn)，銅鋁合制的散熱器不僅儲(chǔ)熱能力比較好，導(dǎo)熱能力也較強(qiáng)，同時(shí)銅鋁合制的散熱器又考慮到了重量的問(wèn)題，不至于使散熱器質(zhì)量太大。散熱能力與散熱面積的關(guān)系

首先，散熱能力和散熱面積有關(guān),從圖5.2中可以看出，因?yàn)樾滦蜕崞鞯纳崞疃嗲疑崞穸容^小，整個(gè)散熱器的散熱面積也隨之增加:而b散熱器的散熱片為曲面，比直面時(shí)散熱面積也增加不少;而a散熱器的散熱片最少，且為平面型，因此散熱面積響度較少。三個(gè)散熱器散熱效果分析

從三個(gè)散熱器散熱后的CUP的溫度分布可以驗(yàn)證三個(gè)散熱器的散熱效果。

在環(huán)境溫度為300k的情況下，平直型散熱器散熱后CUP的最高溫度到達(dá)330k且在整個(gè)CUP上溫度梯度很大，放射狀散熱器散熱后的CUP最高溫度為326k，新型散熱器散熱后CUP最高溫度為323k，且溫度分布在整個(gè)CUP上溫差較小且溫度梯度較小，使CUP不至于產(chǎn)生較大的熱應(yīng)力而影響使用壽命，可見(jiàn)，在三例散熱器中，新型散熱器的散熱效果最為理想，放射狀散熱器次之。論文研究背景現(xiàn)代社會(huì)中，大家的日常生活和工作都和計(jì)算機(jī)的聯(lián)系越來(lái)越緊密了。大家很容易遇到CPU風(fēng)扇損壞而引起溫度升高而發(fā)生計(jì)算機(jī)的運(yùn)行速度減慢甚至死機(jī)的情況。這嚴(yán)重影響了大家的日常工作。這些事故中，許多是因?yàn)镃PU的散熱性不好是計(jì)算機(jī)無(wú)法正常工作。因此研究CPU的散熱性能顯得極其重要。傳熱學(xué)知識(shí)傳熱學(xué)理論基礎(chǔ)邊界層理論基礎(chǔ)湍流理論基礎(chǔ)用到的傳熱學(xué)知識(shí)傳熱學(xué)理論根底應(yīng)用CPU的散熱原理：是通過(guò)散熱片將熱傳導(dǎo)來(lái)，再通過(guò)風(fēng)扇轉(zhuǎn)動(dòng)，加強(qiáng)空氣流動(dòng)，通過(guò)強(qiáng)制對(duì)流的方式將散熱片上的熱量傳至周圍環(huán)境。主要的兩種散熱形式：熱傳導(dǎo)，熱對(duì)流〔熱輻射在此作用不是很大〕。在散熱器材料、散熱面積、環(huán)境參數(shù)一定的情況下，散熱器葉片之間的空氣流動(dòng)對(duì)散熱影響很大?？諝饬鲃?dòng)在紊流時(shí)換熱系數(shù)比較大。由于分段的翅片使散熱器2的定向氣流發(fā)生改變，由層流變成了紊流，因此能更好的帶走翅片上的熱。

換熱系數(shù)和流速