斯特林引擎在CPU散热中的应用

斯特林引擎在CPU散热中的应用
摘要:为了解决日益增长的CPU散热需要,本文提出在原有热管散热基础上加装γ型斯特林装置,利用CPU自身的发热驱动斯特林进行散热。

结合CPU实际尺寸,通过数值模拟得到了能够输出最大功率的斯特林引擎的最优尺寸,在环境温度为25℃,CPU温度为60℃,工质介质为一个大气压时,其最大输出功率0.2326w。

在该散热器得到推广应用的前提下,进行了实用性和经济性分析,结果表明,斯特林引擎与热管结合散热达到了较好的节电效果。

最后通过斯特林引擎的实际输出功率与理论上能够达到的最大功率相比较,可见其有极大的提升空间和广阔的应用前景。

关键词:斯特林引擎热管散热器CPU 最优设计尺寸
随着电子设备高集成化,高频化的发展,其电子芯片如CPU发热量越来越高,下面是几款CPU的发热功率参数如表1所示。

实际上当设备高负荷运行时,其发热功率超出其热设计功耗(TDP)时,当其散热器提供散热功能已无法解决设备散热需要,会出现设备在高温自保护关机,或是烧坏设备,造成有形的和无形的大量损失。

本文针对市面上较普遍的CPU热管侧吹风散热器,提出在原有散热基础上加装γ型斯特林装置,利用CPU自身较大的发热功率对CPU 进行散热的方案。

在满足设备正常散热的情况下,保证散热器节能稳定地工作。

1型斯特林散热器的尺寸设计
型斯特林引擎计算所用的符号见表2所示。

由于设计的斯特林引擎需要安防在主机箱中进行散热,结合主机箱CPU的大小及常规斯特林引擎尺寸比例关系,设定尺寸满足如下约束:
由图1可求出膨胀侧活塞容积与排气侧活塞容积VSE侧活塞容积与动力活塞容积VSC器容积VR如公式(2)至(4)所示:
Y型斯特林引擎的输出功率可以根据下列公式进行计算[1]:
假设斯特林引擎上表面温度为25℃,下表面温度为60℃,转速为1000r/min。

通过编程求解出使斯特林引擎有最大输出功率的各个尺寸:e=7cm,d=1.4cm,b=1.4cm,c=6.65cm,f=0.845cm。

此时输出的功率为0.2326W,此尺寸在计算功率参数如表3所示。

保持最优尺寸和压缩空间的温度TC斯特林引擎上表面温度不变,改变膨胀空间温度TE斯特林引擎下表面温度,得到输出功率随下表面温度变化曲线如图2。

由曲线可以看出斯特林引擎的输出功率近似与下表面温度成线性关系,CPU温度升高时,斯特林引擎输出功率变大,达到更好的散热
目的。

针对斯特林原件运用于CPU散热技术可得出以下结论。

(1)随着CPU温度较高,其热功率提高。

此时斯特林原件输出的功率也对应升高,符合CPU散热需要。

(2)当CPU温度较低时,其热功率散热较低,斯特林原件输出的功率也对应降低,符合CPU散热器要求。

(3)考虑到机械损失和结构损失等实际因素,理想斯特林输出功率与本身散热器风扇输出功率(1W～2W)相比,在设计合理的情况下,理论上可以为散热器提供一部分散热输出。

利用这部分发热量对于一些网吧设备,交换器设备,设计单位,游戏玩家等一些长期高频使用电脑的符合国家可持续发展的理念。

2经济性分析
根据设计原则,配合现有的CPU散热器风扇自动控温技术,该散热器在CPU温度较低(约40℃～50℃)时,由斯特林元件的风扇利用温差单独散热;在CPU温度较高(约60℃～70℃)时,由斯特林元件的风扇和另一电动风扇共同工作分担散热。

若该散热器投入市场,占有一定份额后,其带来的经济效益是比较
显著的。

现以我国某城市为例进行说明,该城市家庭数约为万户,每个家庭平均有1台配有该散热器的电脑。

每户家庭平均每天的使用电脑时间为h。

一度电价格为μ=0.538元。

在CPU温度为60℃时,斯特林输出功率为p=0.2326W,其辅助热管散热器共同工作,相当于节约了0.2326W电功率。

假设该城市所有电脑CPU的温度平均为60℃,在这种情况下,一个城市一年下来可以节约的电费为:
经代入计算得S=365404,即节约电费将近40万,可见使用这种散热器带来的经济效益是相当可观的。

在此,需要说明的是,由于斯特林元件主要组成部件中上下表面均为铜,其中膨胀空间充入的是空气,故斯特林元件集成化批量生产后的成本低廉,和普通热管散热器的价格维持在相同价格水平。

斯特林散热器带来的效益不仅仅是在经济方面,对个人家庭电脑甚至整个网络的安全稳定运行都有着重要作用。

良好的散热效果使得CPU以及其他硬件工作在更好的环境中,这对延长硬件寿命,发挥电脑更佳性能也有着一定的作用。

由于斯特林散热器工质为空气,工作运转顺畅,使得热稳定性极佳,散热效果良好。

以网络中某台重要的服务器为例,由于其存储着大量重要的网络用户数据,若由于散热不好,导致其工作瘫痪,将影响到网络中大多数用户,造成间接的经济损失。

若网络中服务器配置了热稳定性极佳的斯特林散热器,可以从极大程度
上避免上述情况的发生,这带来的无形的经济效益是不可估量的。

以上所说的都是斯特林散热器的优点,这并不是说它没有缺点。

在前文中计算可得,斯特林散热器的轴上功率仅为0.2326W,这个功率太过微小,且与理论值也存在较大误差。

斯特林散热器的理论工作效率与卡诺循环的效率是相同的,即为:
其中TC为压缩腔温度,TE为膨胀腔温度,现设TC=25,TE=60
从图3CPU热性能曲线上看出[2],60℃时热功率为58W,则斯特林散热器可以转换最大功率为。

这说明斯特林散热器可以获得的最大轴上功率为6.09W,而实际得到的仅为0.2326W,仍有极大的提升空间,如提高平均气压,提高斯特林引擎转速,采用相对分子质量较小的气体做工质等。

3结语
计算机的高度集成化发展,导致了计算机芯片单位容积放热量的逐渐增大,为满足CPU正常运行时对最高温度和表面温度均温性的限制要求,本文提出在原有热管散热基础上加装γ型斯特林装置,利用
CPU自身的发热驱动斯特林进行散热。

结合CPU实际尺寸,通过数值模拟和计算得到如下结论。

(1)在环境温度为25℃,CPU温度为60℃,工质介质为一个大气压时,其最大输出功率0.2326W。

(2)随着CPU温度较高,其热功率提高。

此时斯特林原件输出的功率也对应升高,符合CPU散热需要。

(3)当CPU温度较低时,其热功率散热较低,斯特林原件输出的功率也对应降低,符合CPU散热器要求。

(4)斯特林引擎与热管结合散热达到了较好的节电效果。

通过斯特林引擎的实际输出功率与理论上能够达到的最大功率相比较,可见其有极大的提升空间和广阔的应用前景。

本文对研究斯特林引擎在CPU散热方面的应用具有一定指导意义。

参考文献
[1](日)滨口和洋,户田富士夫,平田宏一.斯特林引擎模型制作[M].上海:上海交通大学出版社,2010.
[2]李冬庆,张红,唐夕山.热管式CPU散热器试验及数值研究[J].石
油化工设备,2006,35(3):11-13.
[3]王鹏,叶立,许伍,胡永海.计算机CPU热管散热器换热性能研究[J].制冷,2011,30(1):5-9.
[4]李炎炎,张永恒.CPU散热器换热特性的数值研究[J].制冷与空调,2007,21(4):98-100.。