CPU散热器散热效果分析

　　低温与超导CP散热器散热效果分析张亚平12冯全科1余小玲1（1西安交通大学能源与动力工程学院，西安710049 2西安科技大学，西安710054）度较低、出口温度较高，固体区域温度比侧送风时整体降低了10°C左右，强化了散热器散热因此对于不均匀热源应在基板上尽量分开布置，功率密度前密后疏型布置可以有效降低基板温度。要根据流场和温度场的耦合关系来设计散热器的形状，充分利用流场。可以增加风扇风速或充分利用风扇出口处高速区域，来增加散热器的换热系数从而降低热阻。

　　1刖目目前cp芯片的发热量已猛增到每平方米~80W透过散热器基板传导的热流密度已高达104W/m~m5w/m量级。而且其体积越来越小，频率和集成度却大幅度提高，高热流密度的产生使芯片冷却问题越来越突出。电子设备失效的55是由于过热引起|21，而作为CPU令却的主要器件散热器也得到了显著关注|31.平直型散热器是非常典型的一种散热器，片平行排列，片间距离均匀、空间连贯，利于空气通过151.其大优势在于各肋片形状相同或相似，排列整齐、规律，成形与结合工序相对简单适合于工业化大规模生产。肋片与吸热底面垂直相连，空气由顶部进入、侧面流出。目前市场上绝大多数的散热片均系采用此种设计。本文针对平直型散热器顶送和侧送两种送风方式下的流场和温度场进行模拟，对比了散热性能的影响因素。数值模拟结果有助于散热器的结构设计和热源布置。

　　2散热器模型是整体平直翅片式散热器，具体几何尺寸参见表1及取散热器中央的一个流道，通道的左右两侧壁各取肋片的一半，三维计算模基金项目：陕西省自然科学基金（201E+133）台达环境与教育基金会“电力电子科技发展计划”资助。

　　肋片高向的导热忽略不计；腿1ElectronPubli的共同影响，使得换热系数无显著变化wwxnki.net型见将模型的计算区域分成了两个部分，其中散热器区域为固体区域空气流动区域为流体区域，采用非结构化三维混合网格对计算区域表1散热器尺寸表散热器mm肋长L肋宽W肋高H肋厚b肋间距s基板厚h流道数进行离散化。模拟时作如下假设161：流体物性参数为常数；流体在壁面上无滑移；流动是定常的，且是对称的；假设散热器的换热主要为对流换热，沿不考虑自然对流换热及辐射换热；对比侧送风和顶送风两种模型时散热器温度场和流场的分布（见3边界条件进口边界给定流体的进口平均风速，取等温边界条件；流体的初始温度为27C，湍流动能k取来流速度平均动能的05，e按式e=Cpk/求取。采用自由出流边界条件。与CIU直接接触的散热器底面采用固定热流量壁面边界条件，与空气进行对流换热的两侧壁面采用固体区域和流体区域耦合传热。采用标准k一e湍流模型计算。区域底面设为等热流密度边界条件，通道两外侧壁面设为绝热边界，采用无滑移壁面条件。流固耦合面上的边界条件设置按照壁面函数法来确定|71.采用SMPLE算法求解。

　　4计算结果与分析41两种送风方式比较由可以看出，顶送风方式下风速与肋片表面高温度的关系与侧送风是相似的，在60W顶送比侧送时散热器底面高温度降低15°C.因为顶送风时送风量较大，流过肋片的时间较短。而CP表面温度分布的不均匀容易引起CPU内部产生较大的热应力，影响CP的使用寿命。

　　由7可以看出：流速越大，换热系数越大，热阻越小，且两种送风方式的换热系数相差不大。风速的增加对热边界层的减薄是有限的，加热功率对换热系数影响不大。因为加热功率提高，对流换热量和翅片表面平均温度也提高，两者由可以看出：在流速较高时，计算与18实验趋势线一致，但在低流速下，存在一定误差，因为计算所用风速是肋片间流体速度，而实验中风速是风洞入口风速，实验中肋片间流体速度不方便测量，而理论计算中是肋片间的流体速度，在低流速下，这一差异表现得更加明显。

　　andhetfalsercoefcint42两种送风流场对比分析对比、10可以看出，顶送风时温度分布是左右对称的，而侧送风入口温度较低、出口温度较高*顶送风固体区域温度比侧送风时整体降低了Publi 0侧送风14mm处温度（K）热源如双核电脑处理器，其CPU热源在基板上应尽量分开布置，采取功率密度前密后疏型布置可以有效降低基板温度。采用顶送风的进气方式比侧送风的冷却效果要好。可以看出流场和温度场是耦合的，温度场的分布主要取决于流场，形状和43散热器综合性能分析综合考虑散热器上散热量和空气压力降，定义无量纲品质因数a表示肋片散热量Q（W）与空气通过通道消耗的功率P（W）之比：a由1可看出，空气流速逐渐增大时，平直型散热器散热量和消耗功率都逐渐增大，但散热量提高的速度没有压力降提高得快。因而a逐渐减小。空气入口流速较小时，流速变化对a影响显著。当流速持续增大时，流速变化对a的影响越来越小。

　　距在5左右时，其a会出现大值，散热器的综合性能好。

　　5结论同一平直型散热器，在送风速度、加热功率相同的条件下，60W顶送比侧送时基板表面高温度降低15°C.因为顶送风时的送风量较大，流过肋片的时间较短。

　　顶送风温度分布是左右对称的，侧送风入口温度较低、出口温度较高，固体区域温度比侧送风时整体降低了10C左右，强化了散热器散热。因此对于不均匀热源如双核电脑处理器来讲，其CPU热源在基板上应尽量分开布置，功率密度前密后疏型布置可以有效降低基板温度。

　　要根据流场和温度场的耦合关系来设计散热器的形状，充分利用流场。可以增加风扇风速或充分利用风扇出口处高速区域，来增加散热器的换热系数从而降低热阻。