摘要：CPU是计算机的核心部件，CPU散热器的散热性能是影响CPU工作性能的重要因素。本文对计算机CPU热管散热器换热性能进行了研究。
关键词：CPU；热管散热器；翅片散热器；传热性能
热管是一种具有极高导热性能的新型传热元件，它通过在全封闭真空管内的液体的蒸发与凝结产生的相变来传递热量，它利用毛吸作用等流体原理，起到良好的制冷效果。因此，具有超导之称的热管受到了电子冷却领域应用的重视，热管散热器已经是解决高热流密度CPU冷却问题的重要途径之一。
一、提高机械设计的标准化程度
科学合理的机械制造工艺是保证机械产品质量、减少能耗、节约成本、提高企业经济效益的重要保障，而提高机械制造工艺的科学性，首要的一步就是提升机械设计的水平。具体来说，机械制造企业应当根据市场的需求和机械设备的制造标准，对机械设计进行适当的调整和完善，提高机械设计的标准化程度，这样才能保证机械生产的精确度。如果实际生产达不到产品的标准要求，或者差距较大，就很可能导致生产出的机械设备无法满足客户的需要，甚至会因为机械设备的问题而引起一些严重的事故。因此，机械制造企业应当提高机械设计的标准化程度，对各个零部件的的大小、尺寸、用料等进行严格的控制。另外，由于生产实践中还会有一些外界的非人为因素影响机械设备的生产过程，所以，设计人员要尽可能在设计过程中将各个因素都考虑在内，进而使设计方案更加全面、更加完善。比如，在机械制造过程中，温度的高低会对材料或设备产生破损、变形等影响，进而导致最终生产出的机械设备达不到设计标准，针对这种情况，就需要相关工作人员在生产过程中根据具体情况适时地对未制造完成的机械产品进行测量，一旦发现与设计标准有偏差，就及时进行技术改进，尽可能地减少机械制造的误差。
二、数值模型
1、模型建立及网格划分
本文所介绍的流体在管间及管束周围的流动与换热情况是一种典型的多尺度、大分离复杂流场计算。为获得较高精度，计算所需用网格数相当庞大，使得计算趋于困难。考虑到本文所提出的模型本质上为周期性结构，将其简化为单流道进行处理。各几何结构参数为：热源CPU长20mm，宽20mm，高h=1.75mm，CPU安装铜片厚度5mm，热管和翅片高度均为80mm，其间隔均为8mm，热管直径与铜管直径均为5mm。通过空气自然对流进行换热，周围空气处于室温20℃，空气对流换热系数12W/m2℃。
控制方程为二维不可压缩流雷诺时均N-S方程。雷诺应力采用k-ε湍流模型进行估计。计算采用基于有限体积法的Simple系列方法，其中能量方程、动量方程、湍动能、湍流耗散率均采用具有三阶精度的Quick格式离散。计算首先选用较小的欠松弛因子和一阶迎风格式得到初值，然后采用二阶迎风格式得到最终结果。
为准确模拟出管壁附近流动和换热以及管内的导热，同时又要控制网格的数目，划分网格时，采用非均匀网格，对压力、速度和温度梯度比较大的管壁及导流翼附近区域网格进行局部加密处理，以提高这些区域内解的分辨率。管路区域网格采用六面体，其他区域采用四面体，整个计算域网格数量近80万，网格质量Skewness值小于0.8。计算域左界面设定为入口速度边界条件，计算域右界面设定为压力出口边界条件，CPU设为发热源，发热量给定常数作为热边界条件，计算域下界面设为轴对称边界。各计算参数下降三个数量级并达稳定，进出口质量流量相差0.1％以下作为残差收敛标准。
2、假设条件及材料物性参数
进行计算时对所建立的数值模型作如下假设：1）热管的材料性质不随时间的改变而改变。2）热管为一实心固体，以此计算热管等效传热系数。3）CPU在连续工作一段时间后，达到热平衡状态，可以看做稳态热传导问题。4）忽略辐射换热。CPU的材料属于典型复合材料，其力学参数和热学参数都比较难以确定。为了简化计算，把CPU看成均质各向同性材料，即用晶体管的性质作为整个CPU模型的热学参数，并计算所需材料物性参数。
三、模拟结果及分析
1、热管式散热器与普通翅片散热器稳态工作情况下的温度分布。若CPU功率为40w，散热器工作1800秒。由此可知，普通翅片散热器中存在较明显的温度分布，从翅片根部（热源端）向翅片自由端部递减，温度梯度跨度较大；而热管式散热器中温度分布比较均匀，温度梯度很小，说明热管式散热器比普通翅片散热器拥有更好的均温性。两种散热器中温度最大值均出现在CPU发热块中心处，普通翅片散热器的最高温度值为379.6 K，热管式散热器的最高温度值为351.4K，二者相差28.5℃，说明热管式散热器比普通翅片散热器拥有更好的热传导性能。
2、不同功率下热管式散热器和普通翅片散热中心点温度随时间的变化关系。随着集成化趋势的形成及电脑配置的不断提高，CPU功率也在不断增加。本文对不同功率下普通翅片散热器和热管式散热器中心点温度随时间的变化关系进行了计算，并对二者在高CPU功率下的散热特性进行了比较，由计算结果可知，两种换热器中心点温度随时间的变化关系非常相似，在初始阶段都上升较快，随时间进行上升趋势逐渐趋缓，于1800秒左右都基本达到稳定，但二者的具体温度值有所不同。当CPU功率较小时（例如P=30W），热管式散热器和铜管散热器中心点的最高温度值都小于363K，在CPU所能承受的正常范围内。当CPU功率上升至50W时，普通翅片散热器中心点最高温度值已达到375K以上，超出了CPU所能承受的范围，无法满足换热要求；而此时热管式散热器中心点最高温度值仍保持在360K左右，可保证CPU的正常运行。在CPU高功率运行工况下，使用热管式散热器比使用普通翅片散热器更具有优势，即使CPU功率升至70W及更高值时，也可以通过添加热管数量的方式轻松实现CPU温度控制。
四、模拟结果的实验验证
1、实验装置
CPU热管式散热器实验系统由风机、数据采集器、加热器以及热管散热器四部分构成。为使空气流经热管换热器后速度分布接近均匀，采用了较长的入口段。热管加热方式采用电加热，电加热热源由模拟加热块通过五根电阻丝加热棒提供，加热功率大小由变压器控制，显示于电流电压表上。热管表面温度由三个热电偶测定，热电偶各测点温度值均由数据采集仪（HP34970A）记录。
2、实验值与计算值的比较
CPU功率为40W，空气流态为自然对流，空气流速取0.2m/s、0.4m/s、0.6m/s三组，环境温度20℃。散热器工作1800秒后其进入稳定工作状态，开始测取表面温度。图1列出了热管式散热器在不同空气流速下三测点所测得温度值和相应位置处的模拟计算温度值。实验结果表明，当空气流速为0.4m/s时，模拟计算值与实验值吻合最好；此时的三测点中，R1处的实验测得值与计算值相差最大，约4.5℃，可能是由于CPU与热管接触处存在导热硅胶热阻所致。测点实验值与计算值基本吻合，证明了所用数值模型的正确性和计算结果的可信性。
图1 热管式散热器测点实验值与计算模拟值对比
五、结语
CPU常用的散热方法是使用散热器。因此，使用具有“超导”之称的热管组成的具有传热效率高、结构紧凑、流体阻损小等优点的散热器就成了最有效的散热手段。另外，电子计算机的集成化发展对CPU散热器传热性能提出了新的要求，散热器表面最高温度和表面均温性是保证CPU正常运行的重要参数。
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论文作者:安小龙
论文发表刊物:《基层建设》2018年第19期
论文发表时间:2018/8/13
标签：散热器论文; 热管论文; 温度论文; 管式论文; 功率论文; 网格论文; 翅片论文; 《基层建设》2018年第19期论文;