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1、台式计算机CPU散热器技术,王淼清华大学航天航空学院, 北京,1、背景介绍,电子原件的发热已经成为了制约微电子技术的瓶颈。随着技术的发展，个人计算机CPU的功率越来越高，有的已经超过了100W。考虑到CPU的几何尺寸， CPU单位面积上的发热量十分惊人。因此，CPU的散热也越来越被人们重视。,热,这里主要介绍了：,风冷式：原理、应用、传热强化方法（对于风冷式散热强化采用的屋檐设计进行了数值模拟，说明了其强化原理。）水冷式：原理、应用、传热强化方法热管式：原理、应用、传热强化方法各种散热方式的优缺点进行了总结。,2、风冷式散热技术,2.1 风冷式散热技术的原理,风冷式散热技术是台式计算机中运用最
2、广，也是最为成熟的散热技术。目前绝大多数台式计算机采用肋片散热片与风扇的组合方式实现对CPU的冷却。,2.2 风冷式散热器的传热强化,这种散热形式的总热阻由接触热阻、导热热阻、对流热阻三部分组成： 因而，要想增强CPU散热效果，就要试图减小这三种热阻。,2.2 风冷式散热器的传热强化,对于接触热阻：将散热器与CPU压紧。将CPU与散热片的表面加工得平整光滑，这样使得二者紧密接触，减少接触热阻。另外一点就是在接触面上涂抹塑性导热材料，用导热系数相对较高的材料填充散热片与CPU之间的间隙，减少接触热阻。,2.2 风冷式散热器的传热强化,对于导热热阻：第一种途径是采用导热系数更高的材料。我们知道在常
3、见金属中，银的导热系数最高，但是价格也十分昂贵。在大多数情况下，出于成本考虑散热器的材料主要是铝合金；而在散热量比较大（比如大功率CPU或者超频工作），或是要求稳定运行时（比如服务器），则需采用导热系数更高，价格更高且更难以加工制造的铜制散热器。第二种途径是采用合理的散热片形状结构。对于这种情况，通常需要考虑导热和对流的耦合，将导热热阻和对流热阻看作整体考虑。所以对于散热片结构的优化将在下面与减小对流热阻一并讨论。,2.2 风冷式散热器的传热强化,对于对流热阻：通过对流换热知识，我们知道，流体的流速越高，对流换热能力越强。因此增加风扇的转速一定能起到减小对流热阻，加强对流换热的作用。然而在台式
4、计算机CPU散热的应用中，并不是风扇转速越高越好。首先，过高的转速会带来更大的噪音；其次，风扇转速过高会显著缩短其寿命，减小系统可靠性；此外风扇转速过高将会消耗更多的功率，这也给供电系统提出了更高的要求。因此风扇的转速是有限制的，通常情况下转速从1000到8000转每分钟不等。,2.2 风冷式散热器的传热强化,屋檐型吸热底层的设计：对于传统的风冷式散热片不论是吹风也好，吸风也好，在散热片的中心区域都会形成一个空气流动较少的高压区（吹风）或低压区（吸风），如果再加上轴流风扇轴心风力盲区的影响，此区域的范围有时可以达到散热片底面积的20以上，倘若又遇到风扇性能不济，甚至可能整个肋片底部区域的空气流
5、动都非常微弱。此处的空气受两侧气流的影响，运动非常混乱，虽然所形成的紊流可以与肋片进行更多的热交换，但由于流动不畅，热量无法排出散热片外；而且，此处往往是发热设备（例如CPU核心）所处位置，是散热片热量最为集中的部分，如不加以处理，会对性能造成相当不利的影响。,2.2 风冷式散热器的传热强化,屋檐型吸热底层的设计：,2.2 风冷式散热器的传热强化,屋檐型吸热底层的设计：数值模拟结果,低速区域较小,低速区域较大,2.2 风冷式散热器的传热强化,屋檐型吸热底层的设计：数值模拟结果,等温线较稀疏,等温线较密集,2.2 风冷式散热器的传热强化,屋檐型吸热底层的设计：数值模拟结果在数值模拟中，未采用屋檐
6、形式设计的CPU表面温度为361K，而采用屋檐形式设计的CPU表面温度为356K，温度降低5K。这对于CPU散热是十分可观的。,2.2 风冷式散热器的传热强化,侧吹风设计：传统的散热器形式多为上吹风或上抽风设计。这样就难免在CPU中间区域产生流动死区CPU中心处气流速度过慢，阻碍CPU散热。虽然采取一定的措施，比如上面提到的屋檐形式设计可以减小这些流动死区，但是这种现象仍然会或多或少的出现。于是一种新型的散热器设计侧吹风设计开始得到应用。,2.2 风冷式散热器的传热强化,放射状设计：前面提到的散热器优化形式都是以增强散热效果为目的的，而这里提到的放射式设计的出发点则是为了获得更好的静音效果。,
7、3、液冷式散热技术,3.1 液冷式散热技术简介,优点：换热能力强静音工业应用成熟,缺点：存在安全隐患有些液冷散热器需要维护,3.2 液冷式散热技术原理与应用实例,水冷头,冷却器,水泵,4、热管式散热技术,4.1 热管式散热技术简介,目前，热管在PC散热器中的应用越来越多，目前各大散热器制造厂出货的CPU散热器中，已经有15以上的产品采用热管，尤其是在高端产品上几乎无一例外。热管散热器散热能力强，不用采用大量铜，价格相对低廉，形式构造多样，不必担心与机箱内部设备发生干涉，适合机箱内部布置，是一种十分有前途的CPU散热形式。,4.2 热管式散热器的原理与应用实例,热管是利用液体相变吸热的原理来进行热传递的散热原件。热管结果分为蒸发段，绝热段和冷凝段。液体在蒸发段吸收热量蒸发形成蒸汽，通过绝热段来到冷凝段放出热量液化，再流会蒸发段循环工作。,4.2 热管式散热器的原理与应用实例,对比风冷散热器和热管散热器，热管散热器只是在肋片末端埋有热管。与风冷散热器相比，热管散热器肋片末端温度更高。由传热学知识，肋片温度越高，肋效率越高。热管式散热器正是利用了这一原理，强化了换热。如果在需要换热量较小时，可以适当减小风扇功率，以减小换热器产生的噪音。,热管散热器是如何强化散热的呢？,5、各种散热技术的比较与小结,谢谢,
