目前CPU散热器按冷却技术分主要有3类空气对流换热被动半主动主动液体冷却换热水.docx

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目前CPU散热器按冷却技术分主要有3类空气对流换热被动半主动主动液体冷却换热水

1绪论

1.1概述

众所周知电脑的核心元件是CPU，它能否正常工作至关重要，而保护它正常工作的部件之一有散热器的责任，随着电脑技术的飞速发展随着互联网的普及，电脑已成为人们重要的学习，生活和工怍的工具之一，是人们忠实的助手近年来电脑部越来越棘手的散热问题已成为倍受关注的焦点。

散热问题的解决，除了必要的散热环境外，最终要落实到散热器上，散热器的发展对于CPU的发展已起着举足轻重的作用。

为了提高运算性能，CPU单位面积集成的晶体管数量不断增长，导致总的能量消耗以及因此而转换的热量直线上升。

目前CPU芯片的发热量已猛增到每平厘米70W-80W，透过散热器基板传导的热流密度已高达10w/m2-105w/m2量级[1]，而且其体积越来越小，频率和集成度却大幅度提高，高热流密度的产生使芯片冷却问题越来越突出。

目前Intel公司生产的台式机酷睿系列CPU其最大发热量达130W。

2000年美国半导体工业协会预计,到2011年高性能微处理器芯片功耗将高达177W。

高温会对芯片的性能产生极其有害的影响，芯片温度每升高1℃其运行可靠性降低3.8%，而芯片温度每下降10%其寿命增加50%。

研究表明电子设备失效有55％是由于过热引起[2]。

因此作为CPU冷却的主要器件散热器也得到了显著关注[3-4]。

及时有效地传出芯片发出的热量，使芯片在规定的温度极限工作，这对计算机的发展极为重要。

1.2CPU散热技术简介

目前CPU散热器按冷却技术分主要有3类：

空气对流换热（被动、半主动、主动），液体冷却换热（水、油和氮气冷却）和相变循环系统（热管）。

1.2.1空气对流换热散热器

空气对流换热散热方式中风冷散热是最常见的散热方式，相比较而言，也是较廉价的方式。

风冷散热从实质上讲就是使用风扇带走散热器所吸收的热量。

具有价格相对较低，安装方便等优点。

但对环境依赖比较高，例如气温升高以及超频时其散热性能就会大受影响。

主动式散热是通过散热片将CPU产生的热量自然散发到空气中,因为是自然散发热量，效果不是很好，其散热的效果与散热片大小成正比。

面积越大散热效果越好。

这种散热方式的优点是方法简单且安全,不需额外耗电，而且不用担心有风扇坏掉的危险。

但散热效果不理想,对较大功率的CPU散热需要要很大的散热面积才能达到散热效果,在有效空间的计算机机箱很不现实，因此这种散热方式主要用于产热量不严重的电子元件的散热。

随着电子元器件的功耗加大,出现了靠机箱风扇带走热量的半主动型散热器。

被动式散热是利用风扇等散热设备将散热片上的热强制性带走,这种散热方式的优点是散热效率高,而且设备体积小,是目前给CPU散热的主要方式。

在被动式散热方式中,根据其散热介质的不同,又可分为风冷散热、水冷散热、半导体制冷散热、热导管散热和化学制冷散热等四种方式。

其中风冷散热方式又分为平掠式和射流式两种。

平掠式-气流平行于散热器表面流过，平行送风温度分布不对称，流场以层流为主，因此散热效果欠佳。

射流式-气流垂直冲击散热器表面，垂直送风时温度分布是左右对称，在流场中造成很大的扰动，在散热器表面形成广泛的紊流区，散热效果好。

风冷散热发展比较早，能满足一般CPU的散热要求。

图1-1风冷散热器机构图

1.2.2液体冷却式热散热器

液冷散热（强制间接液冷）是通过液体在泵的带动下强制循环带走散热器的热量，与风冷相比，具有安静、降温稳定、对环境依赖小等等优点。

液冷的价格相对较高，而且安装也相对麻烦一些。

同时安装时尽量按照说明书指导的方法安装才能获得最佳的散热效果。

出于成本及易用性的考虑，液冷散热通常采用水做为导热液体，因此液冷散热器也常常被称为水冷散热器。

图1-2液冷散热器机构图

1.2.3相变循环系统散热器

常见的相变冷却散热器有热管装置，它是一种高效传热元件，充分利用了热传导原理与致冷介质的快速热传递性质，通过在全封闭真空管的液体的蒸发与凝结来传递热量，具有极高的导热性、良好的等温性、冷热两侧的传热面积可任意改变、可远距离传热、可控制温度等一系列优点，并且由热管组成的换热器具有传热效率高、结构紧凑、流体阻损小等优点。

其导热能力已远远超过任何已知金属的导热能力。

图1-3导热管热器机构图

目前出现了一种较新型的相变冷却方式，即化学制冷，它使用一些超低温化学物质，利用它们在融化的时候吸收大量的热量来降低温度。

这方面以使用干冰和液氮较为常见。

比如使用干冰可以将温度降低到零下20℃以下，还有一些更“变态”的玩家利用液氮将CPU温度降到零下100℃以下（理论上），当然由于价格昂贵和持续时间太短，这个方法多见于实验室。

1.2.4新型技术散热器

半导体制冷是利用一种特制的半导体制冷片在通电时产生温差来制冷，只要高温端的热量能有效的散发掉，则低温端就不断的被冷却。

在每个半导体颗粒上都产生温差，一个制冷片由几十个这样的颗粒串联而成，从而在制冷片的两个表面形成一个温差。

利用这种温差现象，配合风冷/水冷对高温端进行降温，能得到优秀的散热效果。

半导体制冷具有制冷温度低、可靠性高等优点，冷面温度可以达到零下10℃以下，但是成本太高，而且可能会因温度过低导致CPU结露造成短路，而且现在半导体制冷片的工艺也不成熟，不够实用。

微通道散热的概念最早由Tuckerman和Peace于1981年提出,它是由具有高导热系数的材料构成。

根据Riddle等的研究：

流量一定时,矩形通道中流体总的热传导系数与通道水力直径成反比。

随着通道直径的减小,换热系数相应增加,同时系统的散热面积与体积比也显著增加。

因此尽管体积不断减小,散热能力反而得到极大的提高。

两种具有相同长度和高度的微通道集热器,当微管道宽度为10μm时,CPU温度为65℃，而当宽度为100μm时，CPU温度则高达85℃，显然宽度越小对散热越有利。

因此，尺寸因素对微通道散热器的影响是至关重要的，而这又直接影响了CPU的运行性能。

据其官方网页的数据，散热通量甚至可达1000W/cm2，体积小重量轻、无噪声、性能稳定、可靠性高、寿命长，与芯片的集成性好，成本低等。

此外，微通道的堵塞问题，低雷诺数下微流体的流动问题都是极需深入探讨的。

随着微通道散热器本身的技术进一步完善，这种产品将有更大的发展潜力和市场需求。

对常用冷却技术的功耗做一比较，如表1：

表1-1常用冷却技术单位面积的最大功耗[5]

冷却技术

单位传热面积的最大功耗（W/cm2）

空气自然对流和辐射

0.08

强迫风冷

0.3

空气冷板（加散热片的强迫风冷）

1.6

液体冷却（强制间接液冷）

16

蒸发冷却（相变冷却）

5000

由次看出相变冷却单位传热面积的功耗最大，耗电量也最大。

液冷次之，空气自然对流和辐射和强迫风冷很小。

强迫对流冷却散热器的功耗大小在于散然风扇的功率，风扇提供一定的风速，风扇需要一定的能耗。

一般风扇能耗较小所以强迫风冷散热方式适合一般用户的使用，有效降低了能耗。

虽然液冷散热器的散热效果要比风冷散热器好，没有噪音但是自身系统复杂，价格较昂贵，需要良好的通风环境，并且体积大安装和维护不方便，容易滴漏、安全性不高与液冷散热器相比翅片式散热器结构简单（但有风扇噪音），价格低廉（比较其它散热方法），安全可靠，技术成熟，对CPU来说翅片式散热器已经足够之所以被广泛应用[6]。

1.3本论文研究的容

散热器成为制约CPU发展的一项重要研究。

蒸发冷却、喷射冷却、微槽通道受迫对流冷却等高效的冷却技术已经实际应用，但由于成本和价格的限制，这些技术很难广泛用于普通用户。

被动型空气冷却散热器主要依靠自然对流交换热量,是20世纪的90年代以前CPU散热的主要途径。

依靠专用风扇冷却CPU的空气强迫对流主动式散热器因其结构简单，安装简便，成本较低，散热效果明显，适应性强，产品更新换代灵活等特点成为当今散热技术的主流[7]。

本论文针对一般用户CPU的散热功率进行散热设计。

目前常用的计算机CPU功率一般在60W～95W之间，CPU允许的最高温度在70～80℃之间，超过80℃可能造成永久性损坏。

所以在设计过程中翅片基底温度必须保持在70℃以下。

通过查阅相关文献，对风冷翅片式CPU散热器的工作原理及优化方式做了系统的了解，并利用PHOENICS数值模拟软件进行分析研究，得出翅片散热器的换热特性及流动特性。

运用PHOENICS数值模拟软件对射流式CPU散热器进行优化设计，进风位置翅片式散热器的换热特性及流动特性的影响，在此基础上进一步优化组合得出最优的散热器结构，本文采用PhoenicsReader软件对计算结果进行数据处理，得出翅片的温度场、速度场的分布情况，使散热器模型的换热特性及流动特性从数据、图像上一目了然。

2射流式风冷散热器

2.1射流式风冷散热器的结构

CPU散热器是流体力学和传热学领域的重要研究对象,前人的研究工作[8-9]几乎都是将散热器放置在一个流速均匀的流道中进行实验研究或数值模拟，所研究的是散热器肋片间的层流流动，流动方向是沿肋片间流道方向。

由于CPU的冷却一般采用轴流风扇加散热器的冷却方式，即射流式，这时流动是紊流而且冷却气流的方向是沿散热器顶部朝下[10]。

射流式散热器的温度分布都是下部高，上部低，从恒温热源传入的热量是从散热底部向上传递的，这符合传热学一般规律。

由于射流受到壁面的摩擦影响，射流速度从肋片顶部向下逐渐减小，受散热器底面的限制，速度减小为零，然后反向流动出现回流。

这一区域的存在，直接影响散热器的散热[11]。

2.2射流式风冷散热器的工作原理

热量传递的基本方式有三种，即热传导，热对流和热辐射。

热传导是两种温度不同的物体之间，或同一物体但温度不同的两部分之间。

因直接接触而引起的热量交换。

风冷散热器热量传递的基本方式有三种，即热传导、热对流和热辐射。

其中热传导与热对流是主要的热量传递方式。

热辐射是一种可以在没有任何介质的情况下，不需要接触．就能够发生热交换的传递方式，此处热辐射很小，可以忽略不计。

热源（CPU）将热量以热传导方式传至导热介质。

再由导热介质传至散热片基部。

由基部将热量传至散热片并通过风扇与空气分子进行受迫对流，将热量散发到空气中。

风扇不断向散热片吹入冷空气流出热空气，完成整个散热过程。

图2-1风冷热器散热原理

热传导是两种温度不同的物体之间，或同一物体但温度不同的两部分之问。

因直接接触而引起的热量交换。

热传导的基本公式为：

（2-1）

φ——代表热量，也就是热传导所产生或传导的热量（W）；

λ——材料的导热系数（W/（m·K））；

A——代表传热的面积或是两物体的接触面积（m2）；

dt——代表物体两端的温度差；

dx——x方向任意一个厚度的微元层；

负号表示热量传递方向与温度升高的方向相反。

从公式可以看出，热量传递的大小同热传导系数、传热面积成正比，同距离成反比。

热传导系数越高，传热面积越大，传输的距离越短，那么热传导的能量就越高。

也就越容易带走热量。

热对流指的是流体（气体或液体）与固体表面接触，造成流体从固体表面将热带走的热传递方式。

在翅片散热器中翅片进口冷空气受风扇强制对流带走翅片上比较热的空气，风扇持续补充冷空气，完成散热过程。

对流传热的基本计算式是牛顿冷却公式：

（2-2）

H——表面传热系数（W/（m2·K））；

、——壁面温度和流体温度（℃）；

2.3射流式风冷散热器的影响因素

风冷散热器由散热风扇、散热片、扣具、导热介质四部分构成，再加上环境因素，就形成了影响风冷散热器散热效果的五大要素[12]：

图2-2风冷散热器基本结构图

1散热风扇2散热片3扣具

（1）散热片：

负责吸收热源发出的热量（通过传导方式吸热），并将吸人的热量放出（通过强制对流方式放热）。

（2）扣具：

固定散热器用压力确保散热器底部与处理器表面良好接触，保证散热片与热源有一定的接触面