台式电脑机箱散热方案仿真研究

台式电脑机箱散热方案仿真研究
前言
台式电脑在向高功耗、高性能的方向发展的同时，也在不断追求更好的用户体验和设备元件的高可靠性，这离不开对机箱系统良好的散热设计，良好的机箱系统散热设计不仅要满足主板元器件保持在许用的温度规格下，也要尽可能降低机箱表面的温度以及噪音水平。

本文以一款台式电脑机箱为例，采用不同的散热器方案，对其满负载条件下进行了系统的散热仿真，以求得到更优的散热方案，为台式电脑系统的散热设计提供一定的指导。

1 模型介绍
机箱模型尺寸为13L，配置了CPU、显卡、内存条、3.5寸HDD以及TFX 310W供电电源，机箱开孔率为43%，开孔状况机箱模型如图1所示
图1 机箱开孔情况及模型
台式机系统的主要热功耗分配按表1所示
表1 仿真部件热功耗分配
对于系统散热来说，重点需要关注的包括主板VR部件温度、CPU结温、机箱壳温、系统出风口的温度，在以下3中散热方案中，我们着重对这些部件温度进行比较，以此找到较为合理的散热方案。

方案1采用9225 CPU 离心风扇散热器+8025 后置系统风扇；方案2采用8025 CPU 轴流风扇散热器+8025后置系统风扇，其中CPU 风扇的气流方向吹向主板；方案3与方案2散热器及配置的风扇一样，只是CPU 风扇的气流方向吹向机箱侧板，图2示出了3中散热方案的细节。

图2 整机系统散热方案对比
仿真的工况为25℃环境温度，在常压下进行。

机箱系统的风扇转速设定在3种散热方案下是一致的，其中前置系统风扇转速设定为2000rpm，CPU风扇和后置系统风扇转速设定为2500rpm，风扇PQ曲线见图3，可以看到，轴流风扇和离心风扇在PQ性能上差异十分明显，轴流风扇具有风量大、风压小的特点，而离心风扇与此相反。

图3 散热风扇PQ曲线
2 仿真分析
对比3种仿真方案的机箱温度分布，可以看到在机箱表面的壳温表现上，采用方案1的离心风扇散热器效果最佳，上顶壳表面温度最高39.2℃，因为离心风扇散热器的导风结构，对风扇气流有定向的导流作用，避免了机箱内部乱流的产生；方案3和方案2相比，8025轴流风扇反向安装也能带来壳温的改善，原因在于利用了CPU 风扇和后置系统安装位置的差异，CPU 风扇流出的热空气能被后置系统风扇以较小的阻力带走，而方案2因为其向主板四周下吹的方式，内部流场较为紊乱，后置系统风扇要带走其热量，阻力相对要大。

图4 不同散热方案机箱壳体温度分布
图5所示为3种散热方案下的机箱粒子流分布，可以看到采用方案1这种离心式散热器，主板CPU区域的流场是较为顺畅的，热空气可以较为顺畅的被排除机箱外部；方案2这种下吹式散热器，气流没有较好的导向作用，热空气在机箱内部广泛扩散，所以影响到了机箱的壳温；方案3 CPU 风扇排出的热空气虽然也向周围扩散，但能被后置系统风扇较为轻松地带走，所以流场分布也是要好于方案2的。

图5 不同散热方案下系统粒子流分布
图6所示为不同散热方案下主板元件温度分布，从效果上来看，采用方案1的离心风扇散热器以及方案3的8025轴流风扇散热器方案对主板元件温度的影响较大，CPU的壳温以及主板上的Mos/Choke/Cap等元件温度均要高于方案2这种下吹式散热方案，对CPU的核心、VR部件的最高温度进行提取，如图7所示，在VR元件以及CPU核心温度上，方案2的表现要好于方案1和3，VR Mos/Choke/Cap总体上改善了约8℃，CPU核心温度改善了约10℃。

图6 不同散热方案下主板CPU及VR元件表面温度分布
图7 3种散热方案下主板元件最高温度
对于以上不同的散热方案产生的效果差异，从CPU风扇以及后置系统风扇的工作点进行分析。

由图8可以看到，在对VR部件和CPU散热有重要影响的散热器风扇上，方案1采用离心风扇，其阻抗相对较大，在其P-Q特性下，工作点的风量最低，因此VR部件和CPU温度有更高的温升；对于方案2的轴流下吹式散热器，CPU风扇的阻抗最低，获得的风量最大，下吹的空气可以更充分地向主板VR部件扩散，所以VR部件和CPU温度有更大的改善；方案3反向安装的轴流风扇所获得的风量比下吹式要低，再者VR部件没有充分的气流流通，所以最终的VR部件温度和CPU
温度表现和方案1接近。

此外，从后置风扇的工作点来看，方案1的离心风扇承担了较大的阻抗，后置系统风扇的阻抗较低，获得了最大的风量，而方案3次之，方案2的后置系统风扇阻抗最大。

(1) CPU 风扇各散热方案工作点 (2) 后置系统风扇各散热方案工作点
图8 3种散热方案风扇工作点
3 总结
通过以上3种散热方案的仿真分析，可以得出每种散热方案均有其优势和劣势，采用离心风扇散热器可以获得顺畅的流场部分，从而有较低的壳温表现，获得较好的用户体验，但对于主板VR 部件以及CPU温度，其表现要低于方案2的轴流式下吹散热器，这是由风扇类型的PQ差异所造成的。

方案3可以改善方案2带来的壳温问题，但会影响主板VR部件和CPU温度。

综上，实际在选用CPU散热器的方案时，需要综合考虑系统散热当下的瓶颈是什么，以及对产品方向的定位，才能更有针对性的对散热方案进行选择。