风冷式CPU散热片的设计.doc

目 录摘 要1Abstract2第一章 绪 论31.1背景介绍31.2CPU常用散热方式41.2.1水冷散热器41.2.2热管式散热器组合61.2.4 风冷式散热81.3结束语10第二章 风冷散热器结构及设计112.1散热片的种类112.2散热片的材料132.3散热片的加工工艺142.3散热片的应用方式15第三章 散热器理论设计计算173.1传热学知识及应用173.2利用传热理论进行计算183.2.1工况假设183.2.2接触热阻193.2.3散热器模型引入213.2.4关于风速-噪声的讨论233.2.5强迫对流相关理论及在本设计中的计算应用253.2.6利用包络体积法验证303.3应用环肋的简述31第四章 散热器设计中注意的问题334.1实际散热片的设计的一般原则334.3结论及前景展望37致 谢40参考文献41摘 要 随着电子计算机制造技术及工艺的不断提高，CPU的发热量也不断变大。所以研究并制造出可行有效的散热方法显得很是重要。要让CPU的工作温度处于合理的范围内，除了要降低其工作环境的温度外，就是要对其CPU进行有效的散热处理。在个人计算机中目前几乎都采用被动式散热的方式。被动式散热就是通过风扇、液冷、热管等散热设备强迫性的将散热片中热量带走，其主要的特点是散热效率高，而且设备的体积是比较小。 本篇论文首先对CPU散热技术和CPU散热器的国内外研究进展及现状进行了综述，并把几种常用的散热方法进行比较，介绍了风冷散热的工作基本原理，并对其主要传热热阻进行了分析;针对目前市场上用于CPU冷却的风冷式散热器存在的不足，提出了具有散热效率高、结构简单、形式紧凑、接触热阻小、重量轻、成本低等特点的散热片的设计制造，介绍散热片的制造工艺，使用材料，及利用传热学知识进行理论计算，提出实际散热片的处理及优化，并且简单初步的介绍利用ANSYS软件的有限元分析方法。 关键词：CPU风冷 热设计 散热片 实际优化AbstractWith the development of computer manufacture and the manufacture craftwork.The heat produce of CPU is becoming larger and larger.Therefore, the research and produce practical and effective cooling method seemed very important. To let CPUs operating temperature in reasonable limits, We should reduce the temperature outside the work environment .In the personal computer, we often use passive cooling. Passive cooling is through the fans, liquid cooling, heat pipes and other cooling equipment, carrying the heat passively, its main feature is the high thermal efficiency, and device size is relatively small.First,This paper talks about CPU cooler CPU cooling technology and Progress in Research , And the heat of several commonly used methods were compared, the work introduced the basic principles of air-cooled heat and transfer to its main resistance were analyzed; for the market for CPU cooling air-cooled radiator shortcomings, made with thermal efficiency, simple structure, compact form, contact resistance, light weight and low cost of heat sink design and manufacturing, introduces the heat sink manufacturing process, materials and heat transfer knowledge and use of theoretical calculations, the actual proposed treatment and optimization of heat sink, and a simple description of the initial use of ANSYS finite element analysis software.Keyword：CPU air cooling heat design heatsink practice optimize 第一章 绪 论1.1背景介绍对于散热器的选择设计，无论是CPU的、显卡的还是主板芯片组的，无非都是利用热传递这个简单的物理原理在工作，这也决定了它不可能有像芯片产业那样高深的技术可言。从电脑的散热需求出现直到今天，使用的散热技术其实都大同小异，那么显然，单单在近年来短短几年的光阴里也不可能在散热器的工作原理上出现重大突破。但技术原理的缓慢进展不代表散热器的理念也会一层不变。随着电脑性能的发展，电脑硬件结构的更新，它们也会对散热效果提出新的需求，这就需要散热器的设计者们与时俱进，通过具体细节的调整来满足它们。于是，基于原有的技术原理，新的散热器理念从来没有停下发展的脚步，它始终努力与它的服务对象契合着。而在最近几年的探索中，有哪些新理念、新设计走在了前面，成为了具有指导意义先进概念或代表性作品呢，下面本人将其分为以下几个方面的事件进行讲述，从而使大家对此有初步的了解。在详细论述这些东西之前，了解这些新事物、新技术、新进步能给生活学习带来实际利益。以及风冷散热的优点。风冷的优点是价格低廉而且组装过程不复杂缺点是有噪音对于那种喜欢安静的人不太合适而且散热一般，而与之相比较而言水冷的优点是散热能力很强绝对没有噪音对于那种喜欢冷而静的人绝对合适但是优点是组装复杂而且价格比较昂贵水冷还有一个缺点就是如果有水洒到了主板或者CPU那里那机器就很危险了当然了这种情况很难发生。综上所述，风冷是优于液体冷的一种方法CPU散热器是现在的电脑中必备的配件之一，而且对系统的性能起到十分关键的作用，在市场中琳琅满目的散热器着实让人眼花缭乱，如何才能选到一款合适的CPU散热器呢。目前可行的CPU散热方式主要分两类，一类是液体散热，一类是风冷散热。液体散热包括水冷、油冷等，主要是水冷，而风冷散热就是大家常见的一个散热片上面镶嵌一个风扇的那种散热方式，种类最多，为现在市场所常用。1.2CPU常用散热方式1.2.1水冷散热器水冷散热器顾名思义就是利用液体的流动带走CPU或显卡工作时所产生的热量,它会人想起汽车内燃机的散热方式也是水冷，这种散热方式的散热效率是非常高的，水冷散热是利用水循环系统通过水流动将CPU的热带走。在水冷却系统中几乎不会出现热尖峰现象,能很好地解决因CPU散热不好导致死机问题。水冷系统可以将CPU的温度保持在室温状态,这样高效改善了微机内部的工作环境。但使用水冷散热系统不方便、体积大、安装麻烦且存在水的泄漏和由此造成的短路问题。这些问题都有待于进一步解决，CPU水冷散热模型具体结构如下图1.1所示。它的工作过程是:通过循环泵提供动力（ 其中泵的种类有很多可以供选用，如离心泵，混流式，轴流泵，其流量是依次递增的，其能量头是依次递减的，可根据工况的需要进行选择），循环液流流进热沉带走大量的热量，进而再使用强迫对流的方式将热量尽快的散去。目前很少有风冷散热器可以与之媲美的，但它有致命的缺陷：安全问题，虽然很多水冷散热器号称绝不漏水，但谁也无法保证肯定不漏，只要一漏水，您的机器那就玩完了。此外用水冷散热器还比较麻烦，因为需要一个大水箱，还需要耐心细致的安装。 图1.1 CPU水冷散热模型电脑液冷系统主要由四部分组成：（1）电机/泵/水箱构成的微型泵组合体；（2）与CPU等发热元件紧密接触的铜吸热块；（3）布置在电脑外侧的散热器/风扇组合；（4）连接管路与电路。液冷散热的缺点：1结构比风冷复杂，2存在泄漏问题，3有芯片与热沉之间的接触热阻，4坚固耐用问题。1.2.2热管式散热器组合 首先介绍一下热管的工作原理，如下图1.2所示，热管分为蒸发段，吸热段，和冷凝段三个部分，工作液由蒸发段蒸发，经过中间的吸热段部分，吸收热量，再到冷凝段凝结为液体，通过吸液芯返回到蒸发段，如此往复循环，以实现换热的效果。 图1.2 热管工作原理示意图 CPU热管散热器如下图1.3所示， 铜管是中空，热管散热器里面没有液体，热管的作用是导热，目前的CPU散热器效果显著的一般是热管+风扇散热器具体工作过程及工作原理如下所述，其具体情况这里限于篇幅就不做过多的描述。 图1.3 CPU热管散热器的基本示意图 热管里面填充了特制的液态导热介质，具体的工作原理是这样的：热管两端产生温差的时候，蒸发端的液体就会迅速气化，将热量带向冷凝端，速度非常快。两端温差越大，蒸发速度越大。在极端的情况下，蒸发速度可能可以接近音速。液体在冷凝端凝结液化以后，通过毛细作用，流回蒸发端。如此循环往复，其实就是利用导热介质气化吸热液化放热实现散热。 1.2.3热电致冷方式热电致冷又称半导体制冷如图1.4所示,是利用物理现象中的帕尔贴效应,靠电子(空穴)在运动中直接传递热量来实现的。如图1为其工作原理图,由P型和N型半导体材料组成热电对,通电后产生热效应,一面为冷端(吸热) ,一面为热端(放热) ,冷端紧贴CPU表面吸收热量传到热端将热量散走。半导体制冷的冷端不可以直接接触CPU表面,需要用辅助散热片把热从CPU的核心传到冷端,有利于充分利用半导体制冷器。这种制冷方式的优点是结构紧凑,静音;制冷工质无机械部件、无振动、寿命长;制冷量和制冷速度可通过改变电流大小来调节。其缺点是效率较低、成本高、工艺不成熟,易因温度过低出现CPU结露而导致短路现象 。 图1.4热电制冷模型(Hydrocool Pty Ltd. )1.2.4 风冷式散热 首先，风扇的好坏才是风冷散热器的关键，其实散热片更不可忽视，也起到非常重要的作用。 热量的基本传递方式有三种：传导、对流、辐射。CPU散热器的散热片必须紧贴CPU，这种传递热量的方式是传导。散热风扇带来冷空气带走热空气，这是对流；温度高于空气的散热片将附近的空气加热，其中有一部分就是辐射。从热量传递的过程，不难看出，要想让散热效果突出，就必须保证这三种传递热量的方式迅速有效。那么好的风冷散热器，就需要满足以下的三点要求：第一，传导好，散热片要采用优质的材料。金和银的导热性能最好，但价格太高，相信不会有人拿来做散热片的，纯铜散热效果次之，但已经非常优良，不是有很多文章介绍用铜片改造散热片来加速热传递，不过铜片也有缺点，造价高，重量大，不耐腐蚀等。所以大多数散热片都是采用轻盈坚固的铝材来制作的，这其中，应属铝合金的热传导最好，专业音响的功率放大器的散热片绝大多数都采用的铝合金，好的 CPU风冷散热器也采用铝合金，如富士康散热器，TT涡轮散热器等，一些杂牌的散热器 就采用纯铝散热片，纯铝的热传导效果很一般，质地很轻，用手指弹击的时候声音不如铝合金清脆。但价格便宜，这种散热片的风冷散热器，容易造成发热量大的CPU 的损坏，为来的容易，为了加速热传导，使用导热硅脂。我们知道固体和固体再怎么紧密接触，一样会留下微小的空隙，那么热量在传递起来就会很慢（这也是为什么风冷散热器夹具如果很紧的话，散热效果会显著改观的原因）。空气的热传导性能很差（要不我们的棉衣、羽绒服怎么会那么暖和）因此我们利用导热硅脂将空隙填补起来，这样可以加速热量的传递。优质的导热硅脂是不会干涸的，而且导热效果还是很不错的，导热硅脂价格便宜，进口的略贵一些，但可以使用很长时间。 第二，对流好，要想对流好，就需要散热风扇可以提供足够的风量，以确保凉快的空气可以源源不断的补充。市面上的散热风扇主要有轴承风扇和滚珠风扇两种，轴承风扇成本低，但噪音大，转速受限制；滚珠风扇噪音小，转速高，但成本高。要知道CPU 风扇的噪音问题已经逐渐成为了一个不容忽视的问题，在相同转速的情况下，滚珠风扇的噪音较低，无疑是一个大优势。为了让风扇可以在较低的转速获得较高的风量，最新出品的好风扇都是采用了多叶片，镰刀形状，这样可以有效增大风量，降低噪音，所以值得大家优先考虑。（如果完全没有噪音，那也不一定最好，万一风扇坏了，听都听不见了，CPU就更容易烧了，噪音大点还可以听见是不是正常工作。为了加速对流，部分散热器在散热片底板上打了一些孔，使得风扇的风可以吹拂到CPU压在散 热片下的部分，这样的设计思想新颖而实用，是值得各种风扇借鉴的好办法。有的散热器精心设计了散热鳍片的角度，使风可以更为有效的带走热量。 第三，为了增加辐射，风冷散热器的散热片应该具有足够的散热面积，这里所说的散热面积不同于一般意义上的体积和面积，它是指散热片的表面积，如果散热片的鳍片很高很多，那么散热面积可以成倍增加，换来的是非常出色的散热效果，有的散热器将散热片的表面做成带有棱状突起的形式，就是为了增加表面积，提高辐射热量的传递。 要掌握了以上三点，任何一款风冷散热器摆在我们面前，我们都可以大致判断出它的优劣来，自然也可以给出一个合适的评价，对比我们的需求，我们就可以明白哪款散热器更适合自己了。 前一阵子很多文章报道的G涡轮风扇，就是非常符合上面所说的特点，从原理上基本做到了出色的散热，体积大、表面积大、鳍片设计合理、底板带有通风孔决定了它是一款很好的风冷散热器，同样的我们可以用这些理论去看看比较高级的各种其他风扇，道理都是一样的。另外材料的导热系数也是一方面的影响如表1.1 表1.1各种金属材料以及常用合金热传导系数 银429w/mk1070型铝合金 226w/mk 铜401w/mk1050型铝合金209w/mk 金317w/mk6061型铝合金155w/mk 铝237w/mk6063型铝合金201w/mk 另外下面因素对风冷散热器的设计也很有用。 1散热片形状 风冷散热器的散热效果不仅仅决定于散热面积，跟散热片形状也很有关系，散热片都有一个底 板，就是最厚的用来接触CPU的那一面。如果底板过厚，散热速率就会有所降低，导致散热片两边温差明显，不利于散热；如果底板过薄，则散热稳定性差，温度容易出现骤然升高降低的现象，合适的底板厚度是4到10毫米。2紫铜板的效果 有的文章说在散热片下面衬垫紫铜片，可以提高散热效果，我经过试验认为方法可行，但必须注意的是紫铜片导热效果相当好，必须设法让原有的散热片与紫铜片牢牢接触，必要时使用导热硅脂，这样才能及时将热量散出。3热容量 很少人注意这个问题，但它确实很有影响。 图1.5 CPU 对流传热原理采用在散热片上添加风扇的方法来实现强制对流是风扇/散热片组合制冷的主要方式。如上图1.5, CPU产生的大部分热都被风扇形成的对流所带走，只有很少的一部分热是透过辐射来散发出去的。所以我认为风冷散热的方法有其他方式所不及的优点好处。1.3结束语 利用散热片来增加散热的面积是热管理技术中最常见也是最基本的方式，随着电子器件发热密度增加的趋势，散热的需求日益增加，散热设计的困难度越来越高，所花费的成本也越来越多。举例而言，早期计算机的CPU如286，发热瓦数只有十几瓦，因此只要约3 公分高的散热片加低转速风扇就可解决，但是目前PC的CPU用散热片高度却达到3 倍，鳍片数目增加3 倍，风扇转速也提升一倍，成本则增加5、6倍以上。虽然新制程及设计技术不断提升，散热片的应用在有限空间的限制下，似乎有渐渐趋向极限的趋势，未来各种不同的冷却技术如水冷、冷冻循环以及浸入式沸腾冷却等都可能用来解决散热问题。尽管如此，散热片仍是最经济、最可靠的散热方式，因此如何提升散热片的效率成了很重要的课题。 因此为了满足未来电子散热的需求，在散热片的形状、材料及制程上都必须有更新的技术，此外集成其它散热器件的设计方式的也可以增加应用时的效率。本文将介绍散热片的种类及制程，散热片的应用以及未来的设计需求。 以上便是关于CPU散热技术的一些概述及要注意的一些问题，由于CPU的运算速度、功能越来越强大、封装技术向高密度发展,其有效的散热问题成为倍受关注的研究热点。本文就热管散热技术着手，将在前人的设计基础上，结合自己的所学设计出一种全新的CPU热管散热系统，相信随着研究的拓展和深入,新的冷却方案及散热理论将不断地被提出来并应用到更新的领域中去, CPU芯片散热技术的内涵将不断得到丰富和延伸。由此看来风冷散热是CPU系统散热的理想选择，下面的设计会围绕这些展开，并在已有技术的基础上进行改进创新，并注重我的设计方案的效率与结构简易性、可行性的处理。 第二章 风冷散热器结构及设计2.1散热片的种类 许多的散热片设计由于忽略了制造的概念，使得研发产品的可靠度及成本成为最后批量供应的障碍。有以下几种常见的制造形式如图2.1所示： 图2.1散热片常见制造方式1. 压印(Stampings)散热片 铜片或铝片可用压印的方式制成所需的形状。此种制程成本低，适合批量供应，可用于低热密度的器件。而压印的器件在组装上也有自动化的便利性，因此可进一步降低成本。2. 挤型(Extrusion)散热片 挤型的制造方式是由将材料在高压下强制流入模孔中成形而使得固体转换为等截面的连续长条。挤形是散热片制造中最广泛使用的方式，设备投资的经额中等。可经由横切的方式产生矩形的针状散热片，可产生锯齿状的鳍片以增加1020%的效能，但会降低挤型的速度。挤型的高宽比限制可高到6，使用特殊模具设计时则可到10的高宽比。3. 铸造(Casting)散热片 将熔化的金属加压到金属模中，以产生精确尺寸的器件。此技术可产生高密度的针状散热片。高的治具费用是最大的成本投资，但适合大量生产的低器件成本可补回此部分。铸造散热片的热传导性会受到固化时气体渗入而产生多孔状而降低。4. 接着(Bonding)散热片 接着散热片将鳍片组装于散热片底部，接着剂对散热片的效率影响很大，如果制造不当，会形成热的阻碍，一般使用导热胶或是焊锡。接着散热片的底部由于需特别加工，因此会使得成本较高，但由于制造技术的提升，以及接着剂的改良，如热导性的铝填充胶等，使得接着散热片的成本降低。此种制程方式可制造高宽比高的散热片，在不增加体积需求下可大量增加冷却效率。5. 折迭(Folding)散热片 折迭散热片将金属片折迭成鳍片数组形状，由于将折迭的金属片藉由焊锡及铜焊接的方式焊接于散热片底部，因此在接口上造成额外的热阻。在制作上的步骤增加，使得成本提升。而制造小间距的鳍片也是困难点。由于增加散热面积，因此散热效率不错。6. 改良式的铸造(Modified die-casting) 散热片此种制造方式是传统铸造方式的延伸，首先将相当薄的压印鳍片数组以间格物隔开，然后以夹具固定，使散热片的底部铸造时将鳍片固定于底部，而形成散热片。此种方式消除了鳍片及底部材料的接口热阻，此种制程可提供高的高宽比。7. 锻造(Forging)散热片 锻造散热片是用非常高的压力敲击（punch）方式将金属材料压入模中使鳍片成形，可能遇到的制程上的问题是材料会阻碍在模子中，使得高度不均一，热锻造比较容易，而冷锻造可制造较密及较强的鳍片。锻造方式的优点包括高强度、较小的表面粗糙度以及材料的均一性等。锻造方式的散热片具有较高的高宽比。8. 切削(Skiving)散热片 这是一种新的散热片制程方式，鳍片用特殊的刀具加工，使得弧状的精密薄片由金属块削出，由于鳍片和金属块是相同材料，因此没有接着散热片或是折迭散热片的缺点。由于制程技术的增进，目前也可制造出高密度的鳍片。目前采用的是6063铝，铜的切削还在实验阶段。由于切削深度可以相当低，鳍片的厚度可以较薄，可以设计较轻性能较高的散热片。9. 机械加工(Machining)散热片 由机械加工的方式将材料从金属块中移除以形成鳍片的形状。最常用的方式是在CNC 机器上采用一组切割锯，锯子之间有精密的距离，以切割出鳍片几何形状。由于加工时容易造成鳍片的破坏或卷曲，因此需二次加工。优点是容易自动化，因此未来仍有使用空间。2.2散热片的材料 传统散热片材料为铝，铝的热传导性可达209W/m-K，加工特性佳，成本低，因此应用非常广。而由于散热片性能要求越来越高，因此对于散热片材料热传导特性的要求也更为殷切，各种高传导性材料的需求也越来越高。铜的热传导率390W/m-K，比起铝的传导增加70%，而缺点是重量三倍于铝，每磅的价格和铝相同，而更难加工。由于受限于高温的成型限制，无法和铝同样挤型成形，而铜的机械加工花更多时间，使加工机具更易损毁。然而当应用的场合受限于传导特性为重点时，铜通常可作为替代之用，此外利用铜做为散热片的底部可提升热传扩散的效率，降低热阻值。 一些增进散热的材料如高导热的polymer（聚合物）、碳为基材的化合物，金属粉沫烧结，化合的钻石以及石墨等都是目前受瞩目的热传导材料。然而最需要的性质是什么？控制的传导性、高加工性、低重量、低热膨胀系数、低毒性以及更重要的是成本必须低于铝。许多新材料的物理特性高于铝，但价格也多了许多倍。 AlSiC是目前最新的材料，混合各种铝合金以制成特殊的物理性质，控制的热膨胀、高传导性以及显著的强度使得AlSiC 更有吸引力，由于成本的关系，这种材料一般用在底部及作为功率模块底部和芯片直接接触的基板。下表2.1中CTE为thermal expansivity coefficient。表2.1各种不同散热片的材料比较 CTEKPpmW/m-KAluminum23209Copper17390Copper-Molybdenum7.2195Cu20%-Tungston80%7250Copper Graphie2350AlSiC6.5-8.0180-210Silicon3.3-4.21502.3散热片的加工工艺 散热片的加工工艺：散热片加工工艺的选择对散热片的散热性能的影响有很大的关系。一般而言材料的选择是从最开始的铝和铜，发展到现在的铜铝相结合，加工工艺也有挤压工艺、折叶工艺、塞铜工艺、回流焊接工艺等。（1） 挤压工艺：CPU散热器的挤压工艺的历史已经非常悠久（第一款CPU散热器也是采用挤压工艺），发展至今已经有十几年的历史了。现行的大部分散热器都是采用挤压工艺制造的，所以挤压工艺相当成熟，而且铝材在加工要求上相对简单，铝的密度相对较低，所以他的质量会比较轻，十分适合制造一些主流的散热器装置，在各个行业上的运用都十分广泛。挤压工艺的成本较低不过其缺点也在的频率不断增大的同时逐渐暴露出来，由于铝的散热片的密度比较低，所以在一些热量过高的场合就需要加大风量和散热面积，这就给噪声的控制和在有限散热空间内增大散热面积提出了挑战了。（2） 折叶工艺：这种工艺的做法是采用金属折页，可以让有效的散热面积随着叶片的增加而增加，跟挤压相比，折叶工艺显得比较复杂，很多厂家对金属折叶和底部紧密接触都做得不好，这种工艺涉及到一个压固的问题，如果压固技术不成熟的话，那么散热器的性能就无法得到保证，所以折叶工艺一般是用于高端散热器的制造上。（3） 塞铜工艺：塞铜工艺是一种铜铝相结合的工艺：主要有两种：一种是将铜片嵌入铝制的底板中，常见用于铝挤压工艺制造的散热器中。由于铝制散热器底部厚度有限，嵌入铜片的体积也受到限制，增加铜片的主要目的是为了加强散热器的瞬间吸热能力，由于与铝制散热器的有限散热面积相比，所以在大部分的情况下这种铜铝散热器的性能比铝制的散热器的效果好不了多少，并且在接触不良的情况下甚至会妨碍散热。（4） 回流焊接工艺：一般应用于采用铜材料的散热器上，其原理是将一片片薄的铜片制成翅片并且与底座进行很好的接触，这个原理是焊接技术，回流焊就是通过计算机对焊接温度和时间参数进行精确的设定，从而使焊膏和被焊接的金属充分接触。这项技术的应用确保了存铜散热器的优秀散热性能。2.3散热片的应用方式 散热片的选用，最简单的方式是利用热阻的概念来设计，热阻是电子热管理技术中很重要的设计参数，定义为：T / P。其中T 为温度差，P 为芯片之热消耗。下图2.2，热阻代表器件热传的难易度，热阻越大，器件得散热效果越差，如果热阻越小，则代表器件越容易散热。IC 封装加装散热片之后会使得芯片产生的热大部分的热向上经由散热片传递，由热阻所构成之网络来看，共包括了由热由芯片到封装外壳之热阻Rjc，热由封装表面到散热片底部经由接口材料到散热片底部之热阻Rcs，以及热由散热片底部传到大气中之热阻三个部分。 为封装本身的特性，与封装设计有关，在封装完成后此值就固定，须由封装设计厂提供。为芯片接口温度，一般在微电子的应用为115180，而在特定及军事的应用上则为6580。Ta的值在提供外界空气时为3545，而在密闭空间或是接近其它热源时则可定为5060。Rcs为接口材料之热阻，与接口材料本身特性有关，而散热片设计者则须提供Rsa的参数。 Rcs=(Tc-Ts) / P。Rsa=(Ts-Ta) / P 。Rcs 和表面光滑度、接口材料的材料特性以及安装压力以及材料厚度有关，由于一般设计时常会忽略接口材料的特性，因此需特别注意。由热阻网络来看，可以得到热阻的关系为：。散热片的作用即是如何使用适当的散热片使得芯片的温度Tj 保持在设定值以下。然而散热设计时必须考虑器件的成本，则为几种传统散热片及器件的成本和性能估算，性能佳的散热片成本一般较高，如果散热量较小的设计，就可以不必用到高性能高成本的散热器件。散热设计时必须了解散热片的制作成本及性能的搭配，才能使散热片发挥最大效益。 图2.2 散热片应用之热网络图第三章 散热器理论设计计算3.1传热学知识及应用热量从温度较高的流体经过固体壁面传递给另一侧温度较低的流体的过程成为总传热过程，简称传热过程，在传热过程中当两种流体间的温差一定，传热面越大，传热量就越多，同样的传热面上两种流体的温差越大，传递热量也越多，传热过程的热流量 (1-1 ) 在上式(1-1)中A表示传热面积，K总传热系数， ，=，下面引入热路图3.1 图3.1 热路图其中为导热热阻，为对流/辐射热阻。 (1-2) 热设计，实际上是为热源至热沉之间提供一条尽可能低的热阻通路的设计工作。其主要方向是放在降低外热阻（即电子器件表面至散热空间的热阻）上面。用于消除电子设备内部热量的方法，是使发热元器件与被冷却表面之间具有一个低温度梯度或者与外部散热器有局部热连接。冷却方法必须简单、冷却设备的重量要轻、可靠、便于维修和经济。对于存在接触热阻的冷却方法，以往人们多半是根据自身的研究对象，用实验方法来解决接触热阻的问题。一般认为降低接触热阻的方法有：接触面积大；表面光滑；接触材料软；接触压力大；接触压力均匀；在接触面上有导热填充剂。应用在工程上的大多数设备的热传递过程是上述情况，并且本篇毕业设计论文CPU风冷散热就涉及到这些知识的应用。3.2利用传热理论进行计算3.2.1工况假设 首先由于空气的热导率非常低0.0259,在CPU表面覆盖一层物质，在一维稳态导热时，假定层间接触良好，事实上两个名义上平的固体表面相互接触时由于表面凹凸不平，实际上接触部分比较小，在界面有热量传递时界面上将有一定的温度降落。引起这种温度降落的热阻称为接触热阻，因此为了减少接触热阻可以采用的措施有降低接触表面粗糙度，增加其间平行度加压力，在接触处加热导率大的导热脂，因此，在本设计中选用硅胶（其导热率为2.5应用领域：功率模块，集成芯片，电源模块，车用电子产品，控制器Pakcool TP系列的导热垫的设计）。下面讨论台式机CPU及工况，一般其表面积是1625 为方便计算取25，硅胶层的厚度不超过2mm，取2mm。另外AMD Athlon CPU正常工作时，有关参数是：时脉1000MHz，额定电压1.75V，核心温度3990，取环境温度25，CPU工作温度65，CPU表面附近空气温度为35 。功率如下曲线图3.2， 图3.2 CPU功率-时间曲线当CPU仅靠热传导方式传热时这是最简单的工况，CPU表面覆盖一薄层硅胶层这就涉及到接触热阻的问题。3.2.2接触热阻一般普遍认为接触面两侧保持同一温度，即假定两层壁面之间保持了良好的接触。而在工程实际中由于任何固体表面之间的接触都不可能是紧密的，如图所示，此时接触面两侧存在温度差。在这种情况下，两壁面之间只有接触的地方才直接导热，在不接触处存在空隙，热量是通过充满空隙的流体的导热、对流和辐射的方式传递的，因而存在传热阻力，称为接触热阻。接触热阻的影响因素：两固体材料接触时，影响其界面传热的因素有：接触界面几何形貌：表面粗糙度， 表面波度， 接触表面斜度， 接触粗糙体的形状、尺寸大小以及数量的多少；载荷情况：接触压力，加载历史；温度条件：接触表面平均温度，热流密度及方向，温度变化历史；材料特性：接触材料的热物理特性，间隙媒质的热物理特性；界面接触情况：接触界面有无相对滑动，接触表面有无其他介质。接触热阻传热分析：当一定的热流通过接触界面时，两接触表面之间会出现一个间断的温差，当热量从高温物体向低温物体传递时，主要通过以下几个途径：（1）大部分的热量以热传导的形式从两固体的真实接触面进行传递；（2）还有一少部分热流通过间隙，以热传导、对流换热、辐射换热的形式传递。 但对于大部分的接触情况，间隙的高度相对于它的接触尺寸而言要小得多，同时，由于间隙处或为真空，或为某种气体，其热导率相当低，因而在这种情况下，忽略间隙流体热传导和对流换热是合理的，辐射换热也可以忽略，但在极高温的情况下，辐射换热可以通过对间隙中流体的导热系数取一个修正值加以考虑。界面传热的影响因素很多，且多为非线性因素，工况及使用条件多样化，热变形、接触状况等相互交替影响，产生耦合作用，使问题变得更为复杂。接触热阻的计算：两固体材料接触时，影响其界面传热的因素有：接触界面几何形貌：表面粗糙度， 表面波度， 接触表面斜度， 接触粗糙体的形状、尺寸大小以及数量的多少；载荷情况：接触压力，加载历史；温度条件：接触表面平均温度，热流密度及方向，温度变化历史；材料特性：接触材料的热物理特性，间隙媒质的热物理特性；界面接触情况：接触界面有无相对滑动，接触表面有无其他介质。根据以上假设的工况进行计算接触热阻大小与表面粗糙度近似成正比关系。由于接触热阻同时还受接触面材料和间隙物质导热性能的影响，在忽略对流和辐射换热的情况下，其计算公式可近似表示为下面经验公式： 查文献可知=0.152,=0.152，=0.696,为面积，本文选用的导热硅脂导热系数2.5W/mk，绝缘，=398W/mk，=236W/mk，所以上式（3-1）可以计算为：由此可见硅胶层接触热阻很小，即热传导换热的效果不好。 若考虑辐射因素的影响：黑体辐射力其中黑体辐射常数T为黑体温度，实际物体（灰体）辐射力E=，由常用材料表面发射率知硅胶发射率为0.75 。0.016W 远远小于热传导的热流量所以完全可以忽略不计，因此在以下的设计中就不再涉及辐射的讨论了。很显然由以上的计算数据知：CPU仅仅靠热传导远远不能满足散热，尤其是在信息技术飞速发展的今天，所以我们就引入强迫对流的方式进行散热，通俗的说就是风冷散热，通过在硅胶层表面添加散热块来进行强迫对流散热。3.2.3散热器模型引入 一般CPU采用的是正吹散热的方式，把CPU当成是一个热源，在热源上附一层硅脂，上着散热片装置，在散热片的上方装设风扇，即正吹式散热方式其示意图如下所示。图3.3正吹式散热器模型其中散热片采用下面引入的模型“横掠柱束”如图3.4 图3.4“横掠柱束”示意图 流体横掠柱束时的对流传热除柱径影响传热系数外，柱间距、排数及排列方式也会影响对流传热系数。由于相邻管子的影响流体在管间的流动截面也交替增加或减小，流体在柱间加速和减速，其间距影响流体截面的变化程度和流体加速与减速的程度。从第二排起，后排柱子都处于前排柱子的尾流中。在尾流涡流的作用下后排换热住的换热系数比h前排的高，所以，同理第三排的h比第二排的高，依次类推。但经过几排管子后扰动基本稳定后，基本不变了。柱束的排列方式对h的影响也比较明显，由图3.5（图3.4左的剖视图），可见顺排时后排换热柱前排的尾流中，部分面没有来流的冲刷，而叉排时后排换热柱有尾流的直接冲刷，所以后者的对流换热系数h高。然而，在Re较高时，由于顺排的尾部涡流增强，使后排的受尾流影响的面积增加。并且由于涡流强，扰动也强以至于顺牌的对流换热系数可能超过叉排的情况。 图 3.5横掠柱束”示意的剖视图其中表示横向节距，表示纵向节距。流体横掠柱束的平均对流换热系数有如下公式计算 （1-3）c,m,n,k,p系数和指数（见表3.1），流体斜向冲击柱（管）束时的修正系数，管排修正系数（见表3.2），Pr普朗特数，上式适用于0.7500，以流体平均温度下管间最大流速计算的雷诺数，。其中为流体平均温度下柱间最大流速，m/s。为柱直径，m. 表3.1 式（1-3）中的指数排列cmnkp顺排1.610010010000.900.520.270.0330.400.500.630.80.360.360.360.400. .250.250.250.250000叉排1.640401.040.710.350.0310.400.500.600.80.360.360.360.400.250.250.250.25000.20.2 表3.2 柱束少于20排时柱排修正系数 1234568121620顺排叉排0.690.620.800.760.860.840.900.880.930.920.950.950.960.960.980.980.990.991.001.00至于：在该模型中，气流进入角是为90。因此取1。3.2.4关于风速-噪声的讨论 风扇转动产生的风速和电风扇的功率，效率及叶片形状等因素有关假设散热风扇是普通风扇（950n/min,12V,0.12A）风扇内径D8.0cm风扇的本质是风机（即将电能转化为机械能，再将机械能转化为空气的流动，属于流体机械中的工作机）由叶片式流体机械的欧拉方程： 工作机 （1-4） 其中能量头的量纲是，进口边的圆周速度3.149500.004/30=0.39m/s进口宽度2.5cm,阻塞系数取1，体积流量取42，若无预旋流即90有，由量纲分析有：，=120.1295%=1.37W，又由公式（1-4）有：0.64m/s，出口绝对流角取 60。由叶片的出口速度三角形图3.6：图3.6 速度三角形出口速度1.109m/s 由上述计算结果及以往经验风速一般取1m/s。其实风速越大热阻越小，散热期待散热性能越好，这是因为风速增加使h和q增加，从而散热性能增加，但是产生较大的风速所需的风压也较大，此时就需要功率较大的风机，选用功率大的风机一方面会增加成本还会使其本身的发热量增加，因此在应用中选择风机要兼顾风速、功率、发热量等因素。 关于电风扇（风机）的噪音问题，风机运行时的噪音可以分为气动噪音、机械噪音和电磁噪音，其中气动噪声可以用量叶片掠过频率来表示： （Hz）其中Z为叶片数，n为风扇的转速；机械噪声就是风扇的轴承等传动装置，转子的不平衡等因素产生的噪声，当然机械噪声与气动噪声相比是次要的；另外电磁噪声是由于风扇电动机转子和定子之间的电磁力互相影响而产生的一种低频率的声音，其频率是电源频率的两倍，即，而在此处风扇使用的应该是直流电源，所以就没有这部分的噪声了。因此注重风扇的选择对于噪声的控制是比较重要的。3.2.5强迫对流相关理论及在本设计中的计算应用 由于的计算比较麻烦。如已知未进入柱束的流体速度则在流体入口温度下的最大流速为：顺排时 叉排时 ，其中 （1-5）对于气体，还要修正为下的最大流速： 式中，分别为气体的入口温度和平均温度，K。 如已知入口处质流密度m，则，式中。为了强化流体横掠柱束时的对流传热，有时在换热柱外加各种形状的肋片，且换热柱的形状不一定是圆形的，可以是扁圆形或者椭圆形等。显然，流体横掠带肋束的对流换热系数的计算，要比流体横掠圆管对流换热系数的计算要复杂，无法用统一的关联式来描述，而只能对某一特定柱束通过实验得出其对流换热系数h和阻力系数的实验关联式：， St 斯坦顿数 且 。求出 后，既可以求出对流换热系数h 该设计的已知条件有未进入柱束的风速1m/s，硅脂散热面为25，厚度取2mm，其导热率为2.5现今CPU工作的平均功率取180W，要求根据这些条件给出散热柱（片）的合理布置方式。由有：总的热阻0.167 。为简化计算 若暂不考虑热传导换热，若对流换热就能满足工况要求，则设计能满足要求，或者可以认为热传导换热所占的比例比对流换热占的比例要少得多。即， 就令 。算得换热系数24.0。即要使散热装置的换热系数 首先，计算 ：柱束间特征温度（即平均温度）为47.5，查表 大气压力（P=1.01325）下干空气的热物理性质 知：， 0.698 。取柱内平均温度，查表得 。这里取换热柱的翅片效率为0.8 先假设换热柱的直径3mm，横节距10mm。 则有1.43 m/s 。有： 根据表1查的公式（1-3）中系数c,m,n,k,p分别为0.52，0.50，0.36，0.25，0；根据假设估计柱排束大致是6排，根据表2查得代入公式（1-3）有努塞尔数是面处流体无量纲过余温度变化率的大小。在其他条件（特征尺寸，和流体导热率）相同的情况下，它的值反映对流传热的强弱。此处特征尺寸。代入数据得 得：6.63。很显然不满足要求。 再假设柱的直径3mm，间距为。如下示意图3.2.2在25的表面上大概可以布置8根， 图3.2.2柱排安放方式，查表1、表2及由公式（1-3）有：= 解得 又考虑到翅片效率满足要求 若间距5mm，柱子直径不变，如下示意图3.2.3，则大致可以安排910根。图3.2.3柱排安放方式，。同上面的计算方法，有： 解得