1 前言

CPU是計算機的核心部件，隨著人類生活水平的提高，人類逐步追求高性能的計算機。伴隨著CPU性能的不斷提高,其發熱量較以前有了大幅度的提高。那么,CPU的冷卻問題就越來越突出,據有關資料顯示,對于包括CPU在內的電子設備,現在的失效問題的50%都是由于過熱引起的。為了解決電腦散熱問題，人們一直在尋求具有高效率散熱功能的散熱器。CPU的散熱主要分為主動散熱和被動散熱，主動式散熱是利用風扇或泵體等設備將散熱片上的熱量以強制對流的方式帶走,這種散熱方式散熱效率高,是目前CPU散熱的主要方式。

圖1.1 CPU散熱器工作原理

為了提高散熱器的散熱性能,國內外的一些散熱器廠家對散熱器的翅片和翅片基底進行了一些改進設計。叉排式散熱器摒棄了板翅式散熱器將來流變得均勻的缺點,反之使來流經過散熱器時擾動增強,因此其換熱能力較板翅式散熱器大大提高，又由于叉排結構增強了流體的擾動,從而增大了流動過程中的局部分離損失和漩渦損失,于是散熱器的流動阻力遠遠大于板翅式散熱器而且叉排式散熱器的加工也比板翅式散熱器困難。目前，對于筆記本散熱問題的研究，沈喜源等利用FloEFD v10.0軟件并結合實驗對筆記本電腦中散熱器翅片結構散熱特性進行了分析；宋印東等利用雙方程模型對其溫度場和速度場進行數值模擬，并在對比試驗的條件下，得出增大風扇流量和增設熱管，都能增強筆記本散熱能力的結論。Icepak是熱管理和電子設備散熱分析的專業軟件，但將其用于電腦散熱分析的研究較少。

綜合考慮這兩種散熱器的優缺點，叉排式散熱器既可增強擾動強化換熱,同時流阻的增大并不大，本文利用Icepak快速的建模功能及靈活的網格劃分能力，進行數值模擬散熱，分析在強制對流條件下，前后兩段叉排式散熱器的結構尺寸，即翅片高度、翅片間距及翅片厚度對筆記本電腦CPU散熱器的散熱性能的影響。

2 散熱效果CAE模擬

2.1模型與計算方法

2.1.1幾何模型

考慮到筆記本電腦體積小，結構復雜，為了能精確模擬其散熱情況，主要建立了一個硬盤、一個軟驅、一個CPU芯片，一塊PCMCIA卡，四塊PCB板和一個電源模塊，如圖1所示。整個系統由兩個風扇和四個通風口冷卻。

其中，通風口的設置為：一個圓形的半徑為0.016m，另三個矩形通風口的大小分別為0.006×0.07m2、0.006×0.07m2和0.091×0.2355m2，電源板和PCB板的厚度均為0.002m，熱阻的功率為0W。

表2.1 筆記本電腦主要模型參數

兩個風扇的特性曲線如下表所示：

表2.2 CPU風扇的特性曲線表

表2.3 排風風扇的特性曲線表

圖2.1 風扇特性曲線圖

2.2網格劃分及獨立性考核

采用Mesher-Hex Dominant（對曲面邊界使用三棱柱網格，其它區域使用六面體網格）進行劃分。

圖2.2 網格劃分

當環境溫度為20℃，重力方向的初速度為-1m/s時，對不同網格尺寸進行考核。其中ⅠⅡ與Ⅲ對應網格數分別為：106805,164108,194051。

圖2.3 CPU最高溫度與網格數的曲線關系

表2.4 不同網格尺寸相對誤差表

由上述網格考核結果可知，第Ⅰ種網格劃分情況對結果影響較大，第Ⅱ、Ⅲ種網格相差不大，但是第Ⅲ種網格數較多，計算較慢，不利于計算，所以考慮到計算精度與計算機資源，選用Ⅱ。

2.3結果分析與討論

2.3.1不同翅片高度的影響

叉排式散熱器由翅基和翅片組成，不同翅片高度對散熱效果的影響不同。設定翅片長度為50mm，前后兩段翅片之間的間距為4mm，相鄰翅片的間距為8mm，探究不同翅片高度對散熱效果的影響。

圖2.4 不同翅片高度下的CPU溫度

在一定范圍內，CPU的溫度隨著翅片高度的增加溫度較低，當高度大于10mm時溫度降低緩慢，散熱效果沒有明顯增加，所以翅片高度不能太高。

2.3.2不同翅片間距的影響

應用邊界層理論,當翅片的間距很小時,形成翅片間距的兩個垂直放置的平板間的邊界層在流道中會很早就相交,兩個邊界層會互相影響,導致冷空氣無法進入到翅片的間距中,此時翅片的散熱降低,平均換熱系數降低,這種流動叫做完全湍流；當翅片間距稍有增加，兩個邊界層正好相交，此時的流動為湍流；翅片間距進一步增加，導致兩個邊界層不會相交甚至平行，不相互影響，其散熱性能較好。

圖2.5 不同翅片間距下的溫度分布

由后處理結果可以看出在翅片間距為6mm時CPU的最高溫度較低，說明散熱效果明顯，翅片間距為8mm時最高溫度有所升高，則最佳散熱效果的翅片間距在6-8mm.

2.3.3不同翅片厚度的影響

翅片長度、高度一定的情況下，翅片厚度影響邊界層流動狀態，進而影響其散熱效率，當翅片間距和高度固定時,翅片越長,翅片中形成的邊界層就越厚,使翅片的散熱性能降低,翅片表面的平均溫度會升高。當翅片厚度較大時,不同長度翅片的平均溫度差值與厚度小時相比,變得越來越小了。所以通過研究不同厚度翅片散熱器的散熱效率，可以進一步確定出最佳的翅片厚度參數，具有積極地研究意義。

表2.5 CPU的最高溫度與翅片厚度的相應數據

選擇最高允許溫度以下3%作為溫度可靠的上限，則可靠溫度上限是65×（1-3%）=63.05℃，所以選擇背板溫度為62.19℃的翅片厚度2mm為最優翅片厚度。

3 結論

（1）運用Icepak模擬叉排式散熱器在計算機中的散熱作用，研究不同結構參數對它的影響效果。隨著翅片高度、間距及厚度的增加，在一定的范圍內散熱效率增加，但達到一定值后，散熱效率不變甚至有下降的趨勢。

（2）選擇最佳結構參數時應綜合考慮多方面因素，隨著厚度的增加雖然散熱效率仍有增加，但增加較小，厚度太大效果不好且浪費材料。