简要介绍CPU散热器原理.ppt

C P U 散 热 器,2010年10月,CPU散热器发展背景,早期的CPU芯片功率不足10W，不需要用散热器。上世纪90年代中期以后，随着CPU主频和集成度大幅度提高，CPU的功率和发热量明显提高。到2004年Intel公司推出的Pentium4主频为3.6GHz的CPU功率更是达到115W。如此巨大的功率严重威胁到CPU的工作和发展，而CPU必须借助散热器才能工作，虽然Intel在2006年下半年推出酷睿双核将功耗降低近一半，每个核心的功耗只有30W至35W，与上一代因特尔台式机处理器产品相比，因特尔酷睿2台式机处理器在提供1.4倍的CPU计算性能同时，能耗降低了40%，但是对于现在一些四核的CPU来说，功率仍然很高。为适应CPU的不断发展，CPU散热器也有了长足的发展。,CPU散热器的分类,散热器常被分为主动散热和被动散热，前者常见的有风冷式散热器，后者常见的为散热片。进一步细分散热方式，可以分为风冷，热管，液冷，半导体制冷，压缩机制冷等。风冷散热是最常见的，而且非常简单，具有价格相对较低，安装简单等优点，但对环境依赖比较高，例如气温升高以及超频时其散热性能就会大受影响。它的工作原理是CPU散热片与CPU表面直接接触，CPU表面的热量通过热传导传递给CPU散热片；散热风扇产生气流通过热对流将CPU散热片表面的热量带走；而机箱内空气的流动也是通过热对流将 CPU 散热片周围空气的热量带走，直到机箱外；同时所有温度高的部分会对周围温度低的部分发生热辐射。换热方式包括了导热、对流、热辐射。,散热器的散热方式,图1 散热器的剖面图,鳍片的材质,散热片材质按导热性能从高到低排列，分别是银、铜、铝、钢。由于银的价钱较高，所以常采用铜和铝合金。铜的导热性好，但价钱贵，加工难度较高，重量过大，热容量较小，而且易氧化。纯铝太软，不能直接使用，铝合金有足够的硬度，价格低廉，重量轻，导热性又逊于铜。有些散热器为了改善传热性能，在铝合金散热器底座上嵌入铜板。,导热介质,导热介质主要有导热硅胶（也称散热膏）、石墨胶片、铝箔导热垫片、外加保护膜的相变导热垫片。导热介质主要用来填补散热片与CPU表面间的空隙，使CPU与散热片能够紧密的结合，让热量容易传到散热片上。减少接触热阻。最常用的是导热硅胶。在散热片与CPU表面的接触面上适量涂抹硅脂，填补空隙，使热传导良好。不同公司的硅脂，成分也不同，其中以添加了金属氧化物的产品（多数为深灰色）的效果好。,散热器的散热过程是三种方式共同作用的过程，但主要是两种方式，包括了散热器和CPU部件间的导热和散热器表面的对流换热两个环节。散热器的表面积越大，其散热效率就越高。但是在一定的环境下，表面积的增大有可能降低散热器的结构效率；散热器的鳍的结构对不同环境中的散热器散热性能也有较大影响。借助Icepak热分析软件分析各种因素对换热性能的影响。,散热器材质默认为铝，散热器底面积为100100平方毫米，基底设置为5mm，鳍片厚度为2mm；CPU及散热器下面的所有热源，简化为一个面积大小为2020平方毫米，功率30W的平面热源，采取室温环境，空气自然对流。因为仅为了考虑散热器物理结构对其散热性能的影响。所以，对模型设置进行了简化，并直接将热源放置在散热器底面的中央。对于仿真结果，直观的观察热源的温度变化，这也直接反应了散热器物理参数的变化对其散热性能的影响。,底面尺寸变化的影响,鳍高设置为45mm，散热器底面尺寸的长和宽分别从50mm变化到120mm，间隔10mm，设置鳍片个数为10片，进行仿真分析。图2散热器底面尺寸的变化对散热性能的影响,图2 散热器底面尺寸的变化对散热性能的影响,底面尺寸变化的影响,不管是随着底面长边的变化还是短边的变化，都表现为底面积的增大，随着面积的增大，热源温度也不断的下降。说明随底面积的增加，散热器的散热性能越来越好。但随着不同底边的变化，散热性能有一定差别。随底面长边的增加，在增加底面面积的同时，鳍片的面积也在增加；而随着底面宽边的增加，仅增加了底面面积。所以，在图中看到刚开始时随长边变化曲线斜率较大，当底面面积大过一定值后，鳍面积增加带来的影响相比底面积增加带来的影响可忽略，所以之后两条线趋于一致，而且当底面积大过一定值后，在增大底面积对散热性能影响不大。,鳍片高度变化的影响,设置鳍高度从0mm变化到60mm，间隔5mm，进行仿真分析。,图3 鳍高度的变化对散热器散热性能的影响,鳍片高度变化的影响,随着鳍高的增加，散热器温度曲线斜率越来越小，即温度减小的速度越来越慢。可以预期，当鳍高高过一定高度时，鳍高的变化对散热器的散热性能的影响将会很微弱。,鳍片个数变化的影响,设置鳍个数从5个变化到20个，进行仿真分析。,图4 片状鳍个数的变化对散热器性能的影响,鳍片个数变化的影响,散热器片数存在一个最优值，使散热器散热性能最佳。因为虽然片状鳍个数是增加增大了散热面积，但同时片状鳍间距减小，鳍间的空气流动就会受到制约，所以不是鳍数越多越好。从图中可以看出片数10左右散热性能最佳。,鳍片厚度变化的影响,图5 片状鳍鳍片厚度的变化对散热器性能的影响,设置鳍厚度从0mm变化到5mm，间隔0.5mm，进行仿真分析。,鳍片厚度变化的影响,鳍片厚度对散热器性能的影响同样存在一个最佳值。虽然鳍片厚度的增加，增加了总散热面积，但同时鳍片间距减小，鳍间空气流动受到制约，所以不是鳍越厚越好。,热源位置变化的影响,图6 热源位置的变化对散热器散热性能的影响,设置偏离中心从0mm变化到60mm，间隔10mm，进行仿真分析。,热源位置变化的影响,散热器安装位置的改变对散热性能也有影响。在热源偏离中心位置40mm以内时，CPU温度变化不大，但之后温度有较大的上升趋势。这说明，只有CPU偏离中心位置较远，且距离散热器边缘很近时对散热器是散热性能影响较大。,通过以上几个因素的分析对比可以看出，散热器鳍个数、底面面积及鳍高度的变化对散热器散热性能的影响都很大。其中，散热器鳍高度变化对散热器散热性能的影响最大（温度总共下降了约80），散热器底面积其次（温度总下降了约20），而鳍的个数、厚度的影响最小且有最优值。另外，热源的位置或者说散热器的暗转位置变化对散热器的散热性能也有一定影响。通过以上分析，找出了影响散热器散热特性的主要因素：对于片状鳍散热器影响较大的是鳍高度、鳍个数及散热器底面面积。,热管散热器,散热管的优点是没有移动式的零件，不必消耗电池，同时可以长时间有效，因此在笔记本上有较多应用。,图7 热管散热器,热管散热器,热管一般是中空的圆柱管，热管两端产生温差的时候，蒸发段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。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，不断地将热量带向温度低的一端。水与气之间的相变反应，使热管的热传导效率比普通的纯铜高数十倍，甚至百倍。应用这种方式可以用几倍的速度将热量从热管的底部导到热管的顶部。这种极佳的导热性能，可以使热量不会在发热部位堆积，而是均匀地散发到了散热器的各个散热翅片上，极大的提高了散热片的导热性能。,液体冷却散热器,图8 液体冷却散热器,液体冷却散热器,液体冷却原理是：通过附在CPU上的吸热盒迅速将热流传导到冷却液，通过冷却液在散热鳍片中的循环流动来达到降温效果，如此循环不息。能较好解决降温问题和降噪问题的散热方式是液体冷却，常被称为“水冷”。冷却液不一定都是水。,图9 冷却液在水冷系统中的循环示意图,参考文献,CPU散热器的安装步骤.家用电器.2002,2纪腾腾.CPU散热器电磁与热特性分析.2010,1周建辉,杨春信.CPU散热器多学科优化热设计.电子器件.2007.10CPU散热器技术点滴.2002,9周建辉,杨春信.CPU散热器结构设计与热分析.电子机械工程.2006,9张亚平,冯全科,余晓玲.CPU散热器散热效果分析.制冷技术.2008,9胡志鹏,张洪涛.CPU散热器现状和发展趋势.江西蓝天学院学报.2009,12陈占秀,孙春华,周泽平.CPU散热器数值模拟分析及其材料选择的研究.河北工业大学学报.2008,2余平.CPU散热器通通透透看硬件CPU散热器.少年电世界.2002,5刘振刚.安度炎炎夏日细看市售3款CPU散热器.现代计算机.2010,8刘振刚.安度炎炎夏日CPU散热器选购全攻略.现代计算机.2010,7殷际英.热管式CPU散热器总传热能力的研究.机械设计与制造.2004,4,