普通用户的CPU散热器发展研究文档格式.docx
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1.4本文的工作
综合上面的各种因素，本文要研究翅片式散热器的进风对其换热的影响，改善CP散热。
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。
2实验设备的选定
2.1热电偶的选定
2.1.1热电偶测温的基本原理
热电偶温度计是由热电偶、显示仪表和连接导线所组成。
它被广泛用来测量-200-1300℃范围内的温度，用特殊材料制成的热点偶还可以测量高达3000℃或低至4K的温度.热电偶具有性能稳定，结构简单，使用方便，经济耐用，体积小和容易维护等优点[8]。
通过热电偶并能将温度信号转换成电信号，便于信号的远传和实现多点切换测量。
因此在工业生产和科学研究领域中都广泛使用热电偶来测量温度。
热电偶测温的基本原理是基于金属导体的热电效应。
热电效应产生的电势是由两种不同效应引起的，即拍尔帖（Peltier）效应和汤姆逊（Thomson）效应。
热电偶测温的原理见图2-1。
图2-1热电偶测温原理图
（1）塞贝克效应
热电偶是由两种成分不同的导体（或半导体）连接在一起构成的感温元件。
在由两种导体A.B组成的闭合回路（见图2-1）中，如果两端结点的温度不同，在回路中就将产生一定大小的电流，这个电流的大小与导体材料的性质以及结点温度有关。
一般常把上述现象称为塞贝克（Seebeek）热电效应。
热电效应产生的电势EAe（T,To）的方向和大小，取决于两个接点的温度和组成热电偶的材料。
当两接点的温度分别为T,T。
时，回路的热电势为:
（2-1）
式中，
为接点的分热电势;
T,T。
为两接点所处的温度:
A,B为两种热电极材料。
（2）拍尔帖效应
各种导体中都存在着大量的自由电子，不同导体自由电子的密度也不同，当两种金属连接在一起时，在结点处就要发生电子扩散，电子密度大的金属的自由电子就要向电子密度小的导体扩散。
这时电子密度大的金属由于失去电子而具有正电位;
相反，电子密度小的金属由于获得了扩散来的多余电子而带负电，这种扩散一直到动态平衡为止。
此时具有一定的稳定的接触电势，该接触电势除与材料的性质有关外，还与结点温度有关。
所以回路中的总接触电势为:
（2-2）
式中，Em（T）为A,B两种材料在温度为T时的接触电势；
K为波尔兹曼常数;
e为电子荷；
，
为材料A和B在温度为T时的自由电子密度。
（3）汤姆逊效应
对于单一均质导体，当两端温度不同时，两端也将有一定大小的电势。
产生的原因是，在不同温度下，自由电子具有不同的动能，温度高时能动大，动能大的电子就会向温度较低的一端跑去，所以在同一导体内当两端温度不同时，两端也会产生一定大小的电位差（汤姆逊电势）。
此现象称为汤姆逊效应（是可逆的）。
两种材料的A,B构成热电偶产生的总热电势包括两个拍尔帖电势和两个汤姆逊电势，即:
（2-3）
上式简化后得:
（2-4）
即热电偶在两端存在温度差时，其输出的热电势是两个温度函数的差，如果其中一个温度（例如参考端）为0℃时，则其热电势与待测温度T呈单值函数关系。
2.1.2热电偶的分类
热电偶的分类方法有多种，一般是按热电偶的材料、用途和结构形式进行分类[9]。
（1）根据热电偶材料分类:
廉金属热电偶：
铜一康铜热电偶贵金属热电偶：
铂锗系列热电偶
铁一康铜热电偶铱锗系列热电偶
镍铬一镍铝热电偶铂铱系列热电偶
镍铬一镍铜热电偶铱钉系列热电偶
难溶金属热电偶：
钨徕系列热电偶非金属热电偶：
石墨一炭化妮热电偶
钨钥系列热电偶二硅化钨一二硅化铂热电
锯钦系列热电偶硼花泥一碳化错热偶
铱钨系列热电偶铱钉系列热电偶
（2）按热电偶的用途分类：
专用热电偶：
多点式热电偶普通工业用热电偶：
直形
表面热电偶角形
薄膜热电偶锥形
快速微型热电偶
防暴热电偶
（3）按热电偶的结构形式分类：
普通型热电偶
恺装热电偶
密封式热电偶
高压固定螺纹式热电偶
根据资料介绍，迄今为止，人们已对300多种热电偶材料的组合进行过系统研究，其中巧种热电偶在工业上得到广泛应用，并己批量生产，成为标准化产品。
在我国，己制定国家标准（GB）的热电偶材料有9种;
正在制定国家专业标准（ZBN）的有3种，其中有8种是国际化标准品种。
标准化热电偶所谓标准热电偶是指国家标准规定了其热电势与温度的关系、允许误差、并有统一的标准分度表的热电偶，它有与其配套的显示仪表可供选用。
非标准化热电偶在使用范围或数量级上均不及标准化热电偶，一般也没有统一的分度表，主要用于某些特殊场合的测量。
我国从1988年1月1日起，热电偶和热电阻全部按IEC国际标准生产，并指定S,B,E,K,R,J,T,N8种标准化热电偶为我国统一设计型热电偶。
2.1.3T型热电偶的原理及制作
铜-康铜热电偶属于廉金属热电偶,其正极为纯铜（TP）,负极为康铜（铜镍）合金（TN）。
在低温状态普遍应用的一种热电偶,测温范围-200℃~300℃,热电极丝的均匀性好,稳定性高,灵敏度好,价格低廉,分度号为铠装型热电偶是将热电极丝装在有绝缘材料的金属套管中,经组合加工成可弯曲的坚实的组合体,再依所需长度截断,对其测量端和参考端进行加工即制成铠装型热电偶。
该种热电偶可以做得很细很长,在使用中可随测量需要而弯曲。
其测温范围宽,响应速度快,热接点处的热容量小,使用寿命长。
同时其机械强度高,耐压性能高,适应性广,绕性大,安装使用方便,应用极其广泛。
铜丝具有高纯度（99.999%以上）,康铜的成分是60%铜和40%镍。
铜-康铜热电偶（T型）的制作【10】需要以下一些工具和辅助装置:
热电偶电焊机、导线。
而用作热电偶的材料铜丝和康铜丝,它们的长度根据使用要求,即根据被插入温度场的深度决定。
直径可根据响应速度要求确定,对要求响应速度快的热电偶,直径宜细。
注意两种丝的直径尽量一致。
制作时先按图2-2将待焊的铜丝、康铜丝一端绞在一起成麻花状。
再按装置图2-2接线,将绞合端和电池碳棒接近。
把电压由零向上调。
观察绞合端处是否放电,如迅速放电起弧,绞合端烧红,则电压合适（30-40V）。
若电压过高,则会引起渐射。
待绞合端熔成球状时,迅速离开碳棒,这样热电偶制作就可成功。
图2-2装置图和焊接图
2.2采集板卡的选定
板卡是用在采集温度，我用的是ADAM-4017，它有很多优点，结构简单，使用方便，用途广泛。
ADAM-4017是我们的主要采集数据的部件，图2-3所示。
ADAM-4017模块是一种内置微控制器，变送器及计算机接口的智能设备用户可通过计算机RS485通讯协议发出ASCII码专用命令集对模块进行遥控。
模块具有信号调理，隔离，量程调整，A/D转换，D/A转换，数据比较及数据通讯功能，并具有数字量I/O直接控制继电器及TTL器件功能。
ADAM-4017支持6路差分，2路单端信号，输入范围+/-150mV，+/-500mV，+/-1V，+/-5V，+/-10V，+/-20mA。
如果测试电流信号，需要在该通道的输入端口并联-125欧姆的精密电阻。
图2-3ADAM4017的简图
单一模块可提供多种输入范围及形态。
例如模拟量输入模块可通过软件设定，接受多种类型及范围的信号，因此单一模块可完成多种不同任务，增加系统设计的弹性。
2.3采集系统软件的选定
（1）LabVIEW
①LabVIEW概念
LabVIEW是一种程序开发环境，由美国国家仪器（NI）公司研制开发的，类似于C和BASIC开发环境，但是LabVIEW与其他计算机语言的显著区别是：
其他计算机语言都是采用基于文本的语言产生代码，而LabVIEW使用的是图形化编辑语言G编写程序，产生的程序是框图的形式。
②LabVIEW主要特点
尽可能采用了通用的硬件，各种仪器的差异主要是软件。
可充分发挥计算机的能力，有强大的数据处理功能，可以创造出功能更强的仪器。
用户可以根据自己的需要定义和制造各种仪器。
LabVIEW实际上是一个按照仪器需求组织的数据采集系统。
LabVIEW的研究中涉及的基础理论主要有计算机数据采集和数字信号处理。
与C和BASIC一样，LabVIEW也是通用的编程系统，有一个完成任何编程任务的庞大函数库。
LabVIEW的函数库包括数据采集、GPIB、串口控制、数据分析、数据显示及数据存储，等等。
LabVIEW也有传统的程序调试工具，如设置断点、以动画方式显示数据及其子程序（子VI）的结果、单步执行等等，便于程序的调试。
（2）MCGS
①MCGS概念
MCGS（MonitorandControlGeneratedSystem）是一种用于快速构造和生成嵌入式计算机监控系统的组态软件，它的组态环境能够在基于Microsoft的各种32位Windows平台上运行，运行环境则是在实时多任务操作系统WindowsCE中运行。
通过对现场数据的采集处理，以动画显示、报警处理、流程控制和报表输出等多种方式向用户提供解决实际工程问题的方案，在自动化领域有着广泛的应用。
MCGS适应于应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗等综合性能有严格要求的专用计算机系统。
②MCGS主要功能
简单灵活的可视化操作界面。
MCGS软件采用全中文、可视化、面向窗口的开发界面，符合中国人的使用习惯和要求。
以窗口为单位，构造用户运行系统的图形界面，使得MCGS的组态工作既简单直观，又灵活多变。
用户可以使用系统的缺省构架，也可以根据需要自己组态配置，生成各种类型和风格的图形界面，包括DOS风格的图形界面和标准Windows风格的图形界面。
实时性强、有良好的并行处理性能。
MCGS是真正的32位系统，充分利用了32位WindowsCE操作平台的多任务、按优先级分时操作的功能，以线程为单位对在工程作业中实时性强的关键任务和实时性不强的非关键任务进行分时并行处理，使嵌入式PC机广泛应用于工程测控领域成为可能。
例如，MCGS在处理数据采集、设备驱动和异常处理等关键任务时，可在主机运行周期时间内插空进行像打印数据一类的非关键性工作，实现并行处理。
丰富、生动的多媒体画面。
MCGS以图像、图符、报表、曲线等多种形式，为操作员及时提供系统运行中的状态、品质及异常报警等相关信息；
用大小变化、颜色改变、明暗闪烁、移动翻转等多种手段，增强画面的动态显示效果；
对图元、图符对象定义相应的状态属性，实现动画效果。
MCGS还为用户提供了丰富的动画构件，每个动画构件都对应一个特定的动画功能。
完善的安全机制。
MCGS提供了良好的安全机制，可以为多个不同级别用户设定不同的操作权限。
此外，MCGS还提供了工程密码，以保护组态开发者的成果。
强大的网络功能。
MCGS具有强大的网络通讯功能，支持串口通讯、Modem串口通讯、以太网TCP/IP通讯，不仅可以方便快捷的实现远程数据传输，还可以通过Web浏览功能，在整个企业范围内浏览监测到整个的生产信息，实现设备管理和企业管理的集成；
多样化的报警功能。
MCGS提供多种不同的报警方式，具有丰富的报警类型，方便用户进行报警设置，并且系统能够实时显示报警信息，对报警数据进行存储与应答，为工业现场安全可靠地生产运行提供有力的保障。
实时数据库为用户分步组态提供极大方便。
MCGS由主控窗口、设备窗口、用户窗口、实时数据库和运行策略五个部分构成，其中实时数据库是一个数据处理中心，是系统各个部分及其各种功能性构件的公用数据区，是整个系统的核心。
各个部件独立地向实时数据库输入和输出数据，并完成自己的差错控制。
在生成用户应用系统时，每一部分均可分别进行组态配置，独立建造，互不相干。
支持多种硬件设备，实现“设备无关”。
MCGS针对外部设备的特征，设立设备工具箱，定义多种设备构件，建立系统与外部设备的连接关系，赋予相关的属性，实现对外部设备的驱动和控制。
用户在设备工具箱中可方便选择各种设备构件。
不同的设备对应不同的构件，所有的设备构件均通过实时数据库建立联系，而建立时又是相互独立的，即对某一构件的操作或改动，不影响其它构件和整个系统的结构，因此MCGS是一个“设备无关”的系统，用户不必因外部设备的局部改动，而影响整个系统。
方便控制复杂的运行流程。
MCGS开辟了“运行策略”窗口，用户可以选用系统提供的各种条件和功能的策略构件，用图形化的方法和简单的类Basic语言构造多分支的应用程序，按照设定的条件和顺序，操作外部设备，控制窗口的打开或关闭，与实时数据库进行数据交换，实现自由、精确地控制运行流程，同时也可以由用户创建新的策略构件，扩展系统的功能。
良好的可维护性。
MCGS系统由五大功能模块组成，主要的功能模块以构件的形式来构造，不同的构件有着不同的功能，且各自独立。
三种基本类型的构件（设备构件、动画构件、策略构件）完成了MCGS系统的三大部分（设备驱动、动画显示和流程控制）的所有工作。
用自建文件系统来管理数据存储，系统可靠性更高。
由于MCGS不再使用ACCESS数据库来存储数据，而是使用了自建的文件系统来管理数据存储。
设立对象元件库，组态工作简单方便。
对象元件库，实际上是分类存储各种组态对象的图库。
组态时，可把制作完好的对象（包括图形对象、窗口对象、策略对象以至位图文件等）以元件的形式存入图库中，也可把元件库中的各种对象取出，直接为当前的工程所用，随着工作的积累，对象元件库将日益扩大和丰富。
这样解决了组态结果的积累和重新利用问题。
组态工作将会变得越来越简单方便。
③MCGS的特点
容量小：
整个系统最低配置只需要2M的存贮空间，可以方便的使用DOC等存贮设备；
速度快：
系统的时间控制精度高，可以方便地完成各种高速采集系统，满足实时控制系统要求；
成本低：
系统最低配置只需要主频为24M的386单板计算机、2MDOC，4M内存，大大降低设备成本；
稳定性高：
无硬盘，内置看门狗，上电重启时间短，可在各种恶劣环境下稳定长时间运行；
功能强大：
提供中断处理，定时扫描精度可达到毫秒级，提供对计算机串口，内存，端口的访问。
并可以根据需要灵活组态；
通讯方便：
内置串行通讯功能、以太网通讯功能、Web浏览功能和Modem远程诊断功能，可以方便地实现与各种设备进行数据交换、远程采集和Web浏览；
操作简便：
MCGS与其他软件相比，它不但有简单易学的优点，还增加了灵活的模块操作，以流程为单位构造用户控制系统，使得MCGS的组态操作既简单直观，又灵活多变；
支持多种设备：
提供了所有常用的硬件设备的驱动；
有助于建造完整的解决方案：
MCGS组态环境运行于具备良好人机界面的Windows操作系统上，可有效帮助用户建造从设备，现场监控工作站到企业生产监控信息网在内的完整解决方案；
并有助于用户开发的项目在这三个层次上的平滑迁移。
MCGS与LabVIEW相比，最大的有点是MCGS兼容ADAM4017，而LabVIEW不兼容ADAM4017，所以我选了MCGS。
3实验台设计
3.1实验台的整体设计
以前的试验台是空气横掠圆管强制对流试验台，本文把中间的圆管换成了CPU散热器，还编写程序用ADAM4017，MCGS采集了温度信号。
试验台由风机，散热器，加热膜，稳压电源，斜压管，安培表，电压表，ADAM4017，计算机，通风道组成，图3-1所示。
图3-1实验台结构示意图
3.2实验设备介绍
3.2.1热电偶
热电偶是利用热电势与温度的函数关系来测温的。
因此,每只热电偶使用时,必须标定其热电势与温度的对应关系。
标定中一般使用电位差计来测量热电偶的热电势,而温度则从与被标定的热电偶捆扎在一起的,测温端置于同一温度点的标准热电偶得到。
要注意的是,即使是同种材料制作的热电偶,由于工艺原由,其关系曲线也可能有差别。
图3-2是表中数据在直角坐标系中的描点情况和用直系拟合的情况。
从图3-2中可以看出,标定中的各数据点基本在同一直线上。
这说明所制作的铜—康铜热电偶具有较好的线性关系。
这一线性关系的具体函数关系式为:
（3-1）
根据式3-1,在这种热电偶适用的温度范围内就可以从热电偶的热电势得到其相应的温度。
图3-2拟合曲线
3.2.2采集系统
图3-3热电偶标记和采集流程图
本实验的采集系统是用MCGS做出来的，可以直接得出结构，快捷，方便。
图3-4采集系统界面
图3-5采集系统数据显示界面
3.2.3测试部件
图3-6测试部件
由于翅片组结构对称，本文取两片翅片组成的通道进行研究。
测试设备的形状结构如图3-6所示，空气从两肋片之间流过。
测试设备中测试温度元件是热电偶，它布置在模型内部，热电偶布置在模型的空气进口处和出口处，分两组布置，每组有两个热电偶，分别布置在翅片的中部和根部。
另外在翅片组前后的进风和出口位置各布置一个热电偶用来测量进出口的空气速度。
3.3实验测试过程
由于CPU冷却一般是采用轴流风扇加散热器的冷却方式。
该实验将散热器放在圆形截面形状的风道中进行研究,对散热器进行送风,如图2所示,风道长度足够使来流充分发展,以便电球式热风速计测量风速。
采用电阻丝模拟实际的CPU芯片发热,将其置于保温盒中,使其产生的热量几乎全部由散热器导出。
散热器与发热装置间放有云母片和2mm厚的铜板,在铜板上布置T型热电偶测量散热器底部中央温度,近似为CPU表面温度。
散热器与铜板间涂上导热硅脂,填充散热片下表面与铜板表面之间的细小缝隙,把CPU所产生的热量迅速均匀地传递给散热片,从而最大限度的增加散热片与CPU的接触面积,使散热效果达到最佳。
实验通过接触式调压器改变输入功率和风机送风量,测量在不同功率、不同风速下的CPU表面温度,利用温度计测量进出口风温。
4实验数据及结果
4.1数据处理
对整个换热系统做热平衡分析可以得到，
（4-1）
－加热膜片产生的总热量/W；
－通过对流换热由翅片组传递给空气的热量/W；
－绝热箱及测试段外部面对外界环境的热损失（主要是绝热箱通过保温材料的热传导损失以及测试段外表面向外界辐射热量）/W；
－翅片组向风洞壁面的辐射热量/W。
实验过程中，由于采用了良好的保温措施，绝热箱通过保温材料的热传导损失很小，近似可以忽略；
因为绝热材料外表面温度与空气温度近似相等且贴有0.02mm厚的铝箔胶带，通过保温材料向外表面的辐射热量近似可以忽略，即有
。
风洞测试段内壁面贴有0.02mm厚的铝箔胶带，用以隔热、减少热辐射，因此翅片组向风洞壁面的辐射热量也近似可以忽略，即
所以式4-1可近似的简化为
本实验所用翅片，其材料的导热系数较高，翅片较厚，初步的数值模拟结果表明翅片温度沿其高度方向变化很小，翅片效率接近100％，因此在实验测量过程中，采用翅片中部温度代替翅片表面的平均温度，忽略翅片效率对换热的影响。
翅片组换热平均努塞尔数Nu，雷诺数Re为：
（4-2）
（4-3）
式中，
－翅片组的当量直径/m；
－翅片组表面和翅片组根部的平均温度/K；
－定性温度，取进出口空气平均温度/K；
－空气导热系数/W·
m-1·
K-1；
－翅片组的表面面积/m2；
－翅片组的根部面积/m2。
－通过翅片组的平均速度/m·
s-1。
在实验中，各翅片间的通道相似且均具有对称性，因此可只取一半通道研究，如下图4-1。
将整个通道内的换热折算到翅片上，可以用下式给出的当量直径来计算平均努塞尔数Nu和雷诺数Re。
（4-4）
H－翅片的高度/m；
－翅片厚度/m。
图4-1研究区域
经过这样的折算之后，计算得到的
平均努塞尔数Nu和雷诺数Re只与翅片本身的参数翅高和翅片
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