基于Icepak的叉排式CPU散热器CAE分析

1 前言

    CPU是计算机的核心部件，随着人类生活水平的提高，人类逐步追求高性能的计算机。伴随着CPU性能的不断提高,其发热量较以前有了大幅度的提高。那么,CPU的冷却问题就越来越突出,据有关资料显示,对于包括CPU在内的电子设备,现在的失效问题的50%都是由于过热引起的。为了解决电脑散热问题，人们一直在寻求具有高效率散热功能的散热器。CPU的散热主要分为主动散热和被动散热，主动式散热是利用风扇或泵体等设备将散热片上的热量以强制对流的方式带走,这种散热方式散热效率高,是目前CPU散热的主要方式。

图1.1 CPU散热器工作原理

    为了提高散热器的散热性能,国内外的一些散热器厂家对散热器的翅片和翅片基底进行了一些改进设计。叉排式散热器摒弃了板翅式散热器将来流变得均匀的缺点,反之使来流经过散热器时扰动增强,因此其换热能力较板翅式散热器大大提高，又由于叉排结构增强了流体的扰动,从而增大了流动过程中的局部分离损失和漩涡损失,于是散热器的流动阻力远远大于板翅式散热器而且叉排式散热器的加工也比板翅式散热器困难。目前，对于笔记本散热问题的研究，沈喜源等利用FloEFD v10.0软件并结合实验对笔记本电脑中散热器翅片结构散热特性进行了分析；宋印东等利用双方程模型对其温度场和速度场进行数值模拟，并在对比试验的条件下，得出增大风扇流量和增设热管，都能增强笔记本散热能力的结论。Icepak是热管理和电子设备散热分析的专业软件，但将其用于电脑散热分析的研究较少。

    综合考虑这两种散热器的优缺点，叉排式散热器既可增强扰动强化换热,同时流阻的增大并不大，本文利用Icepak快速的建模功能及灵活的网格划分能力，进行数值模拟散热，分析在强制对流条件下，前后两段叉排式散热器的结构尺寸，即翅片高度、翅片间距及翅片厚度对笔记本电脑CPU散热器的散热性能的影响。

2 散热效果CAE模拟

2.1模型与计算方法

2.1.1几何模型

    考虑到笔记本电脑体积小，结构复杂，为了能精确模拟其散热情况，主要建立了一个硬盘、一个软驱、一个CPU芯片，一块PCMCIA卡，四块PCB板和一个电源模块，如图1所示。整个系统由两个风扇和四个通风口冷却。

    其中，通风口的设置为：一个圆形的半径为0.016m，另三个矩形通风口的大小分别为0.006×0.07m²、0.006×0.07m²和0.091×0.2355m²，电源板和PCB板的厚度均为0.002m，热阻的功率为0W。

表2.1 笔记本电脑主要模型参数

    两个风扇的特性曲线如下表所示：

表2.2 CPU风扇的特性曲线表