1 前言

CPU是計(jì)算機(jī)的核心部件，隨著人類生活水平的提高，人類逐步追求高性能的計(jì)算機(jī)。伴隨著CPU性能的不斷提高,其發(fā)熱量較以前有了大幅度的提高。那么,CPU的冷卻問(wèn)題就越來(lái)越突出,據(jù)有關(guān)資料顯示,對(duì)于包括CPU在內(nèi)的電子設(shè)備,現(xiàn)在的失效問(wèn)題的50%都是由于過(guò)熱引起的。為了解決電腦散熱問(wèn)題，人們一直在尋求具有高效率散熱功能的散熱器。CPU的散熱主要分為主動(dòng)散熱和被動(dòng)散熱，主動(dòng)式散熱是利用風(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。

圖1.1 CPU散熱器工作原理

為了提高散熱器的散熱性能,國(guó)內(nèi)外的一些散熱器廠家對(duì)散熱器的翅片和翅片基底進(jìn)行了一些改進(jìn)設(shè)計(jì)。叉排式散熱器摒棄了板翅式散熱器將來(lái)流變得均勻的缺點(diǎn),反之使來(lái)流經(jīng)過(guò)散熱器時(shí)擾動(dòng)增強(qiáng),因此其換熱能力較板翅式散熱器大大提高，又由于叉排結(jié)構(gòu)增強(qiáng)了流體的擾動(dòng),從而增大了流動(dòng)過(guò)程中的局部分離損失和漩渦損失,于是散熱器的流動(dòng)阻力遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于板翅式散熱器而且叉排式散熱器的加工也比板翅式散熱器困難。目前，對(duì)于筆記本散熱問(wèn)題的研究，沈喜源等利用FloEFD v10.0軟件并結(jié)合實(shí)驗(yàn)對(duì)筆記本電腦中散熱器翅片結(jié)構(gòu)散熱特性進(jìn)行了分析；宋印東等利用雙方程模型對(duì)其溫度場(chǎng)和速度場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值模擬，并在對(duì)比試驗(yàn)的條件下，得出增大風(fēng)扇流量和增設(shè)熱管，都能增強(qiáng)筆記本散熱能力的結(jié)論。Icepak是熱管理和電子設(shè)備散熱分析的專業(yè)軟件，但將其用于電腦散熱分析的研究較少。

綜合考慮這兩種散熱器的優(yōu)缺點(diǎn)，叉排式散熱器既可增強(qiáng)擾動(dòng)強(qiáng)化換熱,同時(shí)流阻的增大并不大，本文利用Icepak快速的建模功能及靈活的網(wǎng)格劃分能力，進(jìn)行數(shù)值模擬散熱，分析在強(qiáng)制對(duì)流條件下，前后兩段叉排式散熱器的結(jié)構(gòu)尺寸，即翅片高度、翅片間距及翅片厚度對(duì)筆記本電腦CPU散熱器的散熱性能的影響。

2 散熱效果CAE模擬

2.1模型與計(jì)算方法

2.1.1幾何模型

考慮到筆記本電腦體積小，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，為了能精確模擬其散熱情況，主要建立了一個(gè)硬盤、一個(gè)軟驅(qū)、一個(gè)CPU芯片，一塊PCMCIA卡，四塊PCB板和一個(gè)電源模塊，如圖1所示。整個(gè)系統(tǒng)由兩個(gè)風(fēng)扇和四個(gè)通風(fēng)口冷卻。

其中，通風(fēng)口的設(shè)置為：一個(gè)圓形的半徑為0.016m，另三個(gè)矩形通風(fēng)口的大小分別為0.006×0.07m2、0.006×0.07m2和0.091×0.2355m2，電源板和PCB板的厚度均為0.002m，熱阻的功率為0W。

表2.1 筆記本電腦主要模型參數(shù)

兩個(gè)風(fēng)扇的特性曲線如下表所示：

表2.2 CPU風(fēng)扇的特性曲線表

表2.3 排風(fēng)風(fēng)扇的特性曲線表

圖2.1 風(fēng)扇特性曲線圖

2.2網(wǎng)格劃分及獨(dú)立性考核

采用Mesher-Hex Dominant（對(duì)曲面邊界使用三棱柱網(wǎng)格，其它區(qū)域使用六面體網(wǎng)格）進(jìn)行劃分。

圖2.2 網(wǎng)格劃分

當(dāng)環(huán)境溫度為20℃，重力方向的初速度為-1m/s時(shí)，對(duì)不同網(wǎng)格尺寸進(jìn)行考核。其中ⅠⅡ與Ⅲ對(duì)應(yīng)網(wǎng)格數(shù)分別為：106805,164108,194051。

圖2.3 CPU最高溫度與網(wǎng)格數(shù)的曲線關(guān)系

表2.4 不同網(wǎng)格尺寸相對(duì)誤差表

由上述網(wǎng)格考核結(jié)果可知，第Ⅰ種網(wǎng)格劃分情況對(duì)結(jié)果影響較大，第Ⅱ、Ⅲ種網(wǎng)格相差不大，但是第Ⅲ種網(wǎng)格數(shù)較多，計(jì)算較慢，不利于計(jì)算，所以考慮到計(jì)算精度與計(jì)算機(jī)資源，選用Ⅱ。

2.3結(jié)果分析與討論

2.3.1不同翅片高度的影響

叉排式散熱器由翅基和翅片組成，不同翅片高度對(duì)散熱效果的影響不同。設(shè)定翅片長(zhǎng)度為50mm，前后兩段翅片之間的間距為4mm，相鄰翅片的間距為8mm，探究不同翅片高度對(duì)散熱效果的影響。

圖2.4 不同翅片高度下的CPU溫度

在一定范圍內(nèi)，CPU的溫度隨著翅片高度的增加溫度較低，當(dāng)高度大于10mm時(shí)溫度降低緩慢，散熱效果沒(méi)有明顯增加，所以翅片高度不能太高。

2.3.2不同翅片間距的影響

應(yīng)用邊界層理論,當(dāng)翅片的間距很小時(shí),形成翅片間距的兩個(gè)垂直放置的平板間的邊界層在流道中會(huì)很早就相交,兩個(gè)邊界層會(huì)互相影響,導(dǎo)致冷空氣無(wú)法進(jìn)入到翅片的間距中,此時(shí)翅片的散熱降低,平均換熱系數(shù)降低,這種流動(dòng)叫做完全湍流；當(dāng)翅片間距稍有增加，兩個(gè)邊界層正好相交，此時(shí)的流動(dòng)為湍流；翅片間距進(jìn)一步增加，導(dǎo)致兩個(gè)邊界層不會(huì)相交甚至平行，不相互影響，其散熱性能較好。

圖2.5 不同翅片間距下的溫度分布

由后處理結(jié)果可以看出在翅片間距為6mm時(shí)CPU的最高溫度較低，說(shuō)明散熱效果明顯，翅片間距為8mm時(shí)最高溫度有所升高，則最佳散熱效果的翅片間距在6-8mm.

2.3.3不同翅片厚度的影響

翅片長(zhǎng)度、高度一定的情況下，翅片厚度影響邊界層流動(dòng)狀態(tài)，進(jìn)而影響其散熱效率，當(dāng)翅片間距和高度固定時(shí),翅片越長(zhǎng),翅片中形成的邊界層就越厚,使翅片的散熱性能降低,翅片表面的平均溫度會(huì)升高。當(dāng)翅片厚度較大時(shí),不同長(zhǎng)度翅片的平均溫度差值與厚度小時(shí)相比,變得越來(lái)越小了。所以通過(guò)研究不同厚度翅片散熱器的散熱效率，可以進(jìn)一步確定出最佳的翅片厚度參數(shù)，具有積極地研究意義。

表2.5 CPU的最高溫度與翅片厚度的相應(yīng)數(shù)據(jù)

選擇最高允許溫度以下3%作為溫度可靠的上限，則可靠溫度上限是65×（1-3%）=63.05℃，所以選擇背板溫度為62.19℃的翅片厚度2mm為最優(yōu)翅片厚度。

3 結(jié)論

（1）運(yùn)用Icepak模擬叉排式散熱器在計(jì)算機(jī)中的散熱作用，研究不同結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)它的影響效果。隨著翅片高度、間距及厚度的增加，在一定的范圍內(nèi)散熱效率增加，但達(dá)到一定值后，散熱效率不變甚至有下降的趨勢(shì)。

（2）選擇最佳結(jié)構(gòu)參數(shù)時(shí)應(yīng)綜合考慮多方面因素，隨著厚度的增加雖然散熱效率仍有增加，但增加較小，厚度太大效果不好且浪費(fèi)材料。