一種熱管式CPU芯片散熱器的原理結(jié)構(gòu)設(shè)計
殷際英   北方工業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，北京100041 

摘要：對該熱管式CPU散熱器的傳熱機(jī)理、傳熱路線和各傳熱階段的熱阻進(jìn)行了定性分析和定量分析。設(shè)計了原理結(jié)構(gòu)，建立了傳熱模型，導(dǎo)出了總傳熱系數(shù)的計算式，并給出了該熱管散熱器的設(shè)計計算實(shí)例。
  
關(guān)鍵詞：傳熱；散熱器；熱管
中圖分類號：TK17 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

1 前言
目前，計算機(jī)CPU 芯片的發(fā)熱量已達(dá)8O w 左右，使其表面熱流密度高達(dá)1O ～1O w／m。量級，并有繼續(xù)增加的趨勢，芯片過熱問題越來越突出．常規(guī)的解決方案是增加散熱器散熱面積和采用專用CPU 風(fēng)扇來強(qiáng)化對流傳熱作用(如圖1所示)。然而，由于當(dāng)前CPU 芯片的散熱表面尺寸遠(yuǎn)小于貼附其上的散熱器，故具有較短導(dǎo)熱路線的中部翅片承擔(dān)著主要散熱任務(wù)，兩側(cè)翅片作用較小，為了增加中部區(qū)域的散熱面積而采用長翅片將使得翅片肋傳熱效率降低[1]，既增加散熱器重量，又削弱強(qiáng)化傳熱效果。
采用增加CPU 風(fēng)扇風(fēng)量的做法也是有隱患的，當(dāng)風(fēng)扇發(fā)生故障時，可能導(dǎo)致有些發(fā)熱量大的CPU芯片短時內(nèi)被高溫?zé)龘p，且大功率風(fēng)扇產(chǎn)生的機(jī)箱內(nèi)高噪聲也是有害的。
以上分析表明，僅依靠傳導(dǎo)和對流兩種常規(guī)熱傳遞原理工作的金屬散熱器隨著CPU 表面熱流密度的增加，正逐漸接近其導(dǎo)熱極限。如將熱管原理和技術(shù)結(jié)合進(jìn)散熱器設(shè)計中，則可有效緩解了這個矛盾。

2 基本設(shè)計結(jié)構(gòu)
圖2給出了一種基于熱管原理和技術(shù)的CPU散熱器基本設(shè)計結(jié)構(gòu)示意圖，該圖包含了熱管散熱器傳熱原理、熱傳遞路程，以及傳熱環(huán)節(jié)的信息。如圖2所示，散熱器的關(guān)鍵部件是一根熱管，熱管從CPU 端起依次劃分為蒸發(fā)段、絕熱段和冷凝段三個區(qū)段，在冷凝段的外側(cè)表面上還貼附有金屬散熱片。在正常工作狀態(tài)下，由CPU 產(chǎn)生的熱量首先借熱傳導(dǎo)的作用透過散熱器熱管蒸發(fā)段的管壁進(jìn)入內(nèi)腔，對處于高真空度狀態(tài)的工質(zhì)(純水，或其它液態(tài)物質(zhì))an熱，并使其相變?yōu)榈葴仫柡驼羝?，蒸汽越過絕熱段后抵達(dá)冷凝段。由于沿途幾乎沒有熱損耗，故在冷凝段蒸汽溫度不變，并與熱管冷凝段內(nèi)壁發(fā)生對流傳熱，將所攜帶熱量傳遞給熱管內(nèi)壁。通過熱傳導(dǎo)作用再將熱量輸送到熱管外壁和貼附于熱管外壁上的金屬散熱片中。最后，借助散熱片與周圍冷卻氣流的對流傳熱過程將熱量從散熱片上掠入氣流帶走，而釋放出汽化潛熱的蒸汽則又相變?yōu)橐后w，并在熱管內(nèi)貼壁敷設(shè)的吸液網(wǎng)芯的毛細(xì)力作用下返回到蒸發(fā)段再加熱汽化，從而構(gòu)成工質(zhì)相變傳熱循環(huán)。
熱管散熱器的傳熱機(jī)理有利于對流傳熱，主要體現(xiàn)為兩點(diǎn)：首先，攜帶大量汽化潛熱的飽和蒸汽由熱管的蒸發(fā)段運(yùn)動到冷凝段的過程是在等溫狀態(tài)下完成的，沿途的熱損失幾乎為零，可視為零熱阻傳輸；其次，冷凝段的理論長度是不受限制的，實(shí)際上只受機(jī)箱內(nèi)部空間和布局的限制，并且整個冷凝段外壁也必然是等溫的?；谝陨蟽牲c(diǎn)，熱管散熱器可以將散熱片布置在遠(yuǎn)離CPU 芯片的位置上，且又由于可以在等溫條件下加長冷凝段，以增加散熱器的翅片數(shù)量，貼附在冷凝段外表面上的散熱片將均等分?jǐn)偀崃鳎崞叨群统崞穸鹊壤邊?shù)可大幅調(diào)整，既能保證足夠散熱面積，又有很高肋效率。

3 傳熱模型和總傳熱系數(shù)
熱管散熱器總傳熱能力按描述對流傳熱的牛頓冷卻公式

4 設(shè)計計算實(shí)例
圖2是為Pentium 4(2吉赫茲)CPU芯片設(shè)計的熱管散熱器的原理結(jié)構(gòu)示意圖，CPU功率為Q一80w，散熱片周圍冷卻氣流溫度為f，一3O℃ ，冷卻氣流流量為V：20 m。／h，要求散熱器穩(wěn)定工作時，CPU表面接觸溫度f ：6O。C，熱管工質(zhì)為純水，熱管材質(zhì)為純銅，散熱片材質(zhì)為純鋁，吸液芯為兩層67目的銅絲網(wǎng)，熱管內(nèi)部真空度為1．33×10-3Pa。其他主要參數(shù)為：
g一 一 一0．002 m，s=0．004 m，d0—0．024 m，k 一399 w／(m · C)， 一236 w／(m · C)，熱管內(nèi)部蒸發(fā)段和冷凝段傳熱系數(shù)hzf=hlIl一5．8 kW／(m。·‘C)，蒸發(fā)段內(nèi)壁表面積Azf一0．002592 m。，冷凝段內(nèi)壁表面積Al 一0．008928 m。，冷凝段中徑面積A ≈O．008928m 。
，散熱片總表面積Af=0．23376 m。。此外，結(jié)合熱管散熱器的結(jié)構(gòu)尺寸和材料物性，經(jīng)式(13)、(14)和(15)計算得到的冷卻氣體傳熱系數(shù)hf一22．O12 w／(m。· C)，將以上數(shù)據(jù)再代入式(12)中，就得到以散熱片總表面積A，為計算基準(zhǔn)的總傳熱系數(shù)口一15．024 w／(m。·℃)。最后，由式(1)計算出該散熱器傳熱能力為Q一105 W，超過了給定的8O w 散熱功率。為了得出在此情況下的CPU 表面溫度值t ，可由式(1)和(2)導(dǎo)出f 一Q／(aA,)+tf，并將Q一80 W 代入，即得CPU表面工作溫度為tepu一52．78 C。

5 結(jié)論

采用熱管原理和技術(shù)的CPU散熱器具有可以在等溫條件下遠(yuǎn)距離傳遞熱量和將此熱量均勻分布在較大散熱面積上的特點(diǎn)，從而可以在冷卻氣流流量較小的情況下，強(qiáng)化對流換熱的效能，因此適用于有限空間內(nèi)對大功率CPU 芯片實(shí)施強(qiáng)化對流散熱。
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A Design of Principle Structure of Radiator with Heat Pipe for CPU

YIN Ji-ying(College of Electromechainc Engineering，North China Univ．of Tech．，Beijing，100041，China)
Abstract：In this paper，the qualitative analysis for the mechanism and the courses of heat transfer and the quantitative analysis for the thermal resistance in each course of heat transfer of this radiator with heat pipe for CPU are made．And based on the results of the above analysis，the modal and the formula of total coefficient of heat transfer of this radiator are also established．Finally，the designing and calculating example of this radiator is given．
Key words：heat transfer：radiator：heat pipe
熱設(shè)計 http://www.aji87.cn

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