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1、幻灯片1台式计算机CPU散热器技术 王淼清华大学航天航空学院, 北京幻灯片21、背景介绍l 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。热幻灯片3这里主要介绍了：l 风冷式：原理、应用、传热强化方法l （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。）l 水冷式：原理、应用、传热强化方法l 热管式：原理、应用、传热强化方法l 各种散热方式的优缺点进行了总结。幻灯片42、风冷式散热技术 幻灯片52.1 风冷
2、式散热技术的原理l 风冷式散热技术是台式计算机中运用最广，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。 热源CPU气体流向幻灯片62.2 风冷式散热器的传热强化l 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： l 因而，要想增强CPU散热效果，就要试图减小这三种热阻。幻灯片72.2 风冷式散热器的传热强化l 对于接触热阻：l 将散热器与CPU压紧。l 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。l 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
3、接触热阻。幻灯片82.2 风冷式散热器的传热强化l 对于导热热阻：l 第一种途径是采用导热系数更高的材料。l 我们知道在常见金属中，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。l 第二种途径是采用合理的散热片形状结构。l 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。幻灯片92.2 风冷式散热器的传热强化l 对于对流热
4、阻：l 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。l 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。l 然而在台式计算机CPU散热的应用中，并不是风扇转速越高越好。l 首先，过高的转速会带来更大的噪音；l 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。l 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。 幻灯片102.2 风冷式散热器的传热强化l 屋檐型吸热底层的设计：l 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
5、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。 幻灯片112.2 风冷式散热器的传热强化l 屋檐型吸热底层的设计：散热片散热片CPUCPU幻灯片122.2 风冷式散热器的传热强化l 屋檐型吸热底层的设计：数值
6、模拟结果低速区域较小低速区域较大散热器周围空气速度场（a）未采用屋檐形式设计（b）采用屋檐形式设计幻灯片132.2 风冷式散热器的传热强化l 屋檐型吸热底层的设计：数值模拟结果等温线较密集等温线较稀疏散热器周围空气温度场（a）未采用屋檐形式设计（b）采用屋檐形式设计幻灯片142.2 风冷式散热器的传热强化l 屋檐型吸热底层的设计：数值模拟结果l 在数值模拟中，未采用屋檐形式设计的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。幻灯片152.2 风冷式散热器的传热强化l 侧吹风设计：l 传统的散热器形式多为上吹风或上抽风设计。这
7、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。 CPU散热片幻灯片162.2 风冷式散热器的传热强化l 放射状设计：l 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。 幻灯片173、液冷式散热技术 幻灯片183.1 液冷式散热技术简介l 缺点：l 存在安全隐患l 有些液冷散热器需要维护l 优点：l 换热能力强l 静音l 工业应用成熟幻灯片193.2 液
8、冷式散热技术原理与应用实例冷却器水冷头水泵幻灯片204、热管式散热技术 幻灯片214.1 热管式散热技术简介l 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。幻灯片224.2 热管式散热器的原理与应用实例l 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。幻灯片234.2 热管式散热器的原理与应用实例热源CPU热管热管l 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？幻灯片245、各种散热技术的比较与小结 散热性能静音程度投入成本维护成本安全性风冷散热一般差低低高水冷散热好较好高高低热管散热好好高低高幻灯片25谢谢
