CPU散热器冷却技术毕业设计

毕业设计（论文）CPU散热器冷却技术

毕业设计（论文）原创性声明和使用授权说明

原创性声明

本人郑重承诺：所呈交的毕业设计（论文），是我个人在指导教师的指导下进行的研究工作及取得的成果。尽我所知，除文中特别加以标注和致谢的地方外，不包含其他人或组织已经发表或公布过的研究成果，也不包含我为获得及其它教育机构的学位或学历而使用过的材料。对本研究提供过帮助和做出过贡献的个人或集体，均已在文中作了明确的说明并表示了谢意。

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1 绪论

1.1 概述

众所周知电脑的核心元件是CPU，它能否正常工作至关重要，而保护它正常工作的部件之一有散热器的责任，随着电脑技术的飞速发展随着互联网的普及，电脑已成为人们重要的学习，生活和工怍的工具之一，是人们忠实的助手近年来电脑内部越来越棘手的散热问题已成为倍受关注的焦点。散热问题的解决，除了必要的散热环境外，最终要落实到散热器上，散热器的发展对于CPU的发展已起着举足轻重的作用。

为了提高运算性能，CPU单位面积内集成的晶体管数量不断增长，导致总的能量消耗以及因此而转换的热量直线上升。目前CPU芯片的发热量已猛增到每平厘米70W-80W，透过散热器基板传导的热流密度已高达10w/m2-105w/m2量级[1]，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。目前Intel公司生产的台式机酷睿系列CPU其最大发热量达130W。2000年美国半导体工业协会预计,到2011年高性能微处理器芯片功耗将高达177W。

高温会对芯片的性能产生极其有害的影响，芯片温度每升高1℃其运行可靠性降低3.8%，而芯片温度每下降10%其寿命增加50%。研究表明电子设备失效有55％是由于过热引起[2]。因此作为CPU冷却的主要器件散热器也得到了显著关注[3-4]。

及时有效地传出芯片发出的热量，使芯片在规定的温度极限内工作，这对计算机的发展极为重要。

1.2 CPU散热技术简介

目前CPU散热器按冷却技术分主要有3类：空气对流换热(被动、半主动、主动)，液体冷却换热(水、油和氮气冷却)和相变循环系统(热管)。

1.2.1 空气对流换热散热器

空气对流换热散热方式中风冷散热是最常见的散热方式，相比较而言，也是较廉价的方式。风冷散热从实质上讲就是使用风扇带走散热器所吸收的热量。具有价格相对较低，安装方便等优点。但对环境依赖比较高，例如气温升高以及超频时其散热性能就会大受影响。

主动式散热是通过散热片将CPU产生的热量自然散发到空气中, 因为是自

然散发热量，效果不是很好，其散热的效果与散热片大小成正比。面积越大散热效果越好。这种散热方式的优点是方法简单且安全, 不需额外耗电，而且不用担心有风扇坏掉的危险。但散热效果不理想,对较大功率的CPU散热需要要很大的散热面积才能达到散热效果,在有效空间的计算机机箱内很不现实，因此这种散热方式主要用于产热量不严重的电子元件的散热。随着电子元器件的功耗加大,出现了靠机箱风扇带走热量的半主动型散热器。被动式散热是利用风扇等散热设备将散热片上的热强制性带走,这种散热方式的优点是散热效率高, 而且设备体积小,是目前给CPU散热的主要方式。在被动式散热方式中,根据其散热介质的不同,又可分为风冷散热、水冷散热、半导体制冷散热、热导管散热和化学制冷散热等四种方式。

其中风冷散热方式又分为平掠式和射流式两种。平掠式-气流平行于散热器表面流过，平行送风温度分布不对称，流场以层流为主，因此散热效果欠佳。射流式-气流垂直冲击散热器表面，垂直送风时温度分布是左右对称，在流场中造成很大的扰动，在散热器表面形成广泛的紊流区，散热效果好。风冷散热发展比较早，能满足一般CPU的散热要求。

图1-1 风冷散热器机构图

1.2.2 液体冷却式热散热器

液冷散热(强制间接液冷)是通过液体在泵的带动下强制循环带走散热器的热量，与风冷相比，具有安静、降温稳定、对环境依赖小等等优点。液冷的价格相对较高，而且安装也相对麻烦一些。同时安装时尽量按照说明书指导的方法安装才能获得最佳的散热效果。出于成本及易用性的考虑，液冷散热通常采用水做为导热液体，因此液冷散热器也常常被称为水冷散热器。

图1-2 液冷散热器机构图

1.2.3 相变循环系统散热器

常见的相变冷却散热器有热管装置，它是一种高效传热元件，充分利用了热传导原理与致冷介质的快速热传递性质，通过在全封闭真空管内的液体的蒸发与凝结来传递热量，具有极高的导热性、良好的等温性、冷热两侧的传热面积可任意改变、可远距离传热、可控制温度等一系列优点，并且由热管组成的换热器具有传热效率高、结构紧凑、流体阻损小等优点。其导热能力已远远超过任何已知金属的导热能力。

图1-3 导热管热器机构图

目前出现了一种较新型的相变冷却方式，即化学制冷，它使用一些超低温化学物质，利用它们在融化的时候吸收大量的热量来降低温度。这方面以使用干冰和液氮较为常见。比如使用干冰可以将温度降低到零下20℃以下，还有一些更“变态”的玩家利用液氮将CPU温度降到零下100℃以下(理论上)，当然由于价格昂贵和持续时间太短，这个方法多见于实验室。

1.2.4 新型技术散热器

半导体制冷是利用一种特制的半导体制冷片在通电时产生温差来制冷，只要高温端的热量能有效的散发掉，则低温端就不断的被冷却。在每个半导体颗粒上都产生温差，一个制冷片由几十个这样的颗粒串联而成，从而在制冷片的两个表面形成一个温差。利用这种温差现象，配合风冷/水冷对高温端进行降温，能得到优秀的散热效果。半导体制冷具有制冷温度低、可靠性高等优点，冷面温度可以达到零下10℃以下，但是成本太高，而且可能会因温度过低导致CPU结露造成短路，而且现在半导体制冷片的工艺也不成熟，不够实用。

微通道散热的概念最早由 Tuckerman和Peace于1981年提出,它是由具有高导热系数的材料构成。根据Riddle等的研究：流量一定时,矩形通道中流体总的热传导系数与通道水力直径成反比。随着通道直径的减小,换热系数相应增加,同时系统的散热面积与体积比也显著增加。因此尽管体积不断减小,散热能力反而得到极大的提高。两种具有相同长度和高度的微通道集热器,当微管道宽度为10μm时,CPU温度为65℃，而当宽度为100μm时，CPU温度则高达85℃，显然宽度越小对散热越有利。因此，尺寸因素对微通道散热器的影响是至关重要的，而这又直接影响了CPU的运行性能。据其官方网页的数据，散热通量甚至可达1000 W/cm2，体积小重量轻、无噪声、性能稳定、可靠性高、寿命长，与芯片的集成性好，成本低等。此外，微通道的堵塞问题，低雷诺数下微流体的流动问题都是极需深入探讨的。随着微通道散热器本身的技术进一步完善，这种产品将有更大的发展潜力和市场需求。

对常用冷却技术的功耗做一比较，如表1：

[5]

由次看出相变冷却单位传热面积的功耗最大，耗电量也最大。液冷次之，空气自然对流和辐射和强迫风冷很小。强迫对流冷却散热器的功耗大小在于散然风扇的功率，风扇提供一定的风速，风扇需要一定的能耗。一般风扇能耗较小所以强迫风冷散热方式适合一般用户的使用，有效降低了能耗。

虽然液冷散热器的散热效果要比风冷散热器好，没有噪音但是自身系统复杂，价格较昂贵，需要良好的通风环境，并且体积大安装和维护不方便，容易滴