CPU散热器热学性能的有限元分析

CPU

机械 2006年第10期 总第33卷 计算机应用技术 ·29·

CPU散热器热学性能的有限元分析

黄洁，杜平安

(电子科技大学 机械电子工程学院，四川 成都 610054)

摘要：CPU是计算机的核心部件，CPU散热器的散热性能是影响CPU工作性能的重要因素。尤其是CPU芯片功率高速发展的今天，其影响更加明显。所以，如何在设计时采用合理的散热器材料和结构，提高其散热性能成为了殛待解决的问题。本文利用Ansys软件建立了散热器的有限元模型，对其进行了热学性能分析。对散热性能与材料、尺寸和结构的关系进行了研究，并对结果进行了对比分析。得到了散热器的温度分布云图和热梯度分布云图，为散热器的优化设计提供了重要依据。

关键词：CPU散热器；Ansys；有限元；散热效果

中图分类号：TH164 文献标识码：A 文章编号：1006－0316（2006）10－0029－03

Finite element analysis of the heat dissipation performance of CPU radiator

HUANG Jie，DU Ping-an

(School of Mechatronics Engineering，UEST of China，Chengdu 610054，China)

Abstract: CPU is the key part of computer. Its heat dissipation condition has significant influences on CPU performance. especially as the power of CPU chips is getting much higher. So there is a need to solve the problem that how to adopt reasonable material and structure during design in order to improve the thermal performance of the radiator. In the paper. the finite element method is used to analyzes the thermal performance of CUP radiator. First. the FE model is set up based on the structure. materials and working condition of radiator. Then. the temperature distribution and heat gradient are calculated. Finally. study on the relationship between the thermal performance and the material. size and structure is conducted. and some conclusions are reached to improve the heat dissipation condition. All the work is done by means of ANSYS. Key words: CPU radiator: Ansys: finite element: heat dissipation performance

随着CPU性能的提高，其集成的晶体管数目越来越多，功率也越来越高。P4处理器功率接近100W/cm2，频率已高达3.6 GHz。同等性能的AMD公司的CPU，最高耗电功率为76.8 W，核心最高温度上升到85 ℃。如何设计散热器，以利于CPU达到最佳工作状态，成为了制造商迫切需要解决的问题。本文以有限元分析软件Ansys为分析工具，从材料和结构方面对散热器的散热性能进行了研究，最后得到了一系列热学性能指标，为CPU散热器的优化设计提供了参考。

本文的分析对象为AMD公司的CP5 7J52F-01型散热器，它适合于Athlon 1.4 G， Duron 1.7G及Athlon XP 3200+ 型CPU。风扇尺寸：70×70×25 mm，转速：3300±10% r/min，风量：23.8 CFM，电压：12 V（DC）。散热器尺寸：80×60×46.8 mm(铝片加铜底)。与之对应采用Athlon 1.4G CPU，其功率为48 W。底座尺寸50×50 mm，芯片内核尺寸10×8 mm。

1.1几何模型的建立

散热器采用铜底铝片结构（铜基座厚8.5 mm，铝散热片厚1 mm）。由于结构对称分布，可取其1/4进行分析，并对其在倒角和局部细节处进行了简化（如图1所示）。在1/4模型上共有11个散热鳍片，彼此相距2 mm。其金属材料均为各向同性，材料热：铜401，铝201。材料密度t/m3：导率W/（m2×k）

1 有限元模型的建立

散热器的工作原理是通过表面接触，将CPU散发的热量传递到热传导系数高的散热鳍片上，再通过上端风扇产生对流风迫使鳍片表面堆积的热量和空气进行热交换，将热量散发到空气中。

————————————— 收稿日期：2006－09－06

作者简介：黄洁（1981－），男，成都电子科技大学机械电子工程学院04级硕士研究生，主要从事CAD/CAPP/CAE/CAM研究。

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·30· 计算机应用技术 机械 2006年第10期 总第33卷 铜8.9，铝2.7。

为44.636 ℃。较前种情况相比导热能力差别不大，但重量增加很多。当基底和鳍片均采用铝材料时（如图2（c）所示），温度约为49.861 ℃，导热能力下降很多，这是因为铝导热率只有铜的一半的缘故。

图1 Ansys建模示意图

1.2结构离散

由于散热器几何形状规整，本文用Ansys自带的智能网格划分方法。选用Thermal/shell/3D 4node单元。

(a)采用铜基座铝散 (b)采用全铜材料 (c)采用全铝材料

热片效果图 散热效果图 散热效果图

图2 采用不同材料散热效果图

（2）几何尺寸对散热器性能的影响

在采用铜基铝片结构前提下，计算得到采用不同尺寸时的结果如图3（a）所示。当减小基底厚度至6.5 mm时，由于热量不能被充分导走，计算得到CPU接触处的温度约为45.325 ℃（如图3（a）所示），较采用8.5 mm时的44.876 ℃（如图2所示）增加。反之当厚度增大至10mm时，结果约为44.631 ℃（如图3（b）所示），变化不大，但散热器整体重量增加。经计算得知，基底厚度设计应在7~9 mm之间。

1.3边界条件

散热鳍片上存在对流约束。周围环境温度为27 ℃，冷却空气出口温度为37℃。根据鳍片几何尺寸和空气物性参数计算得到对流换热系数为41.86 W/（mm2×℃）。散热器基底与CPU的接触面上有热量传递，故存在热流密度。CPU功率为48 W，内核面积80 mm2，因此热流密度为0.6 W/mm2。

2 计算结果分析

影响散热器散热特性的因素有导热系数、接触面积、底部厚度、热流距离、对流换热面积及散热器的鳍片与流体流向的一致性等。下面将就材料、尺寸和结构等因素对散热器散热性能的影响进行计算、分析。

（1）材料对散热器性能的影响

导热系数是表征金属导热能力的指标。在众多金属材料中，银的导热系数最高，但其成本较高；纯铜次之，但加工工艺复杂。因此，常见风冷散热器一般使用铝合金材料。因为铝合金的加工性好、表面处理容易、成本比较低廉，更容易达到较高性价比。随着对散热需求的提高，综合运用各种导热好的材料已成为大的趋势，如有的散热器底部为纯铜，而鳍片部分用铝合金片。AMD的Athlon XP系列，Duron，Thunderbird系列处理器的散热器通常就是这种结构。

通过修改相应材料属性，计算得到使用不同材料时的结果如图2所示。采用铜基座铝散热片结构时，在CPU接触处的温度约为44.876 ℃（如图2（a）所示），散热效果良好。而当基底和鳍片均采用铜材料时（如图2（b）所示），接触处的温度约

(a) 采用6.5 mm铜基 (b) 采用10 mm铜基

铝片结构温度分布图 铝片结构温度分布图

图3 不同几何尺寸散热效果图

（3）鳍片间距与厚度对散热器性能的影响 鳍片是很薄而密的散热片。在风扇风量一定的情况下（本文中为23.8 CFM），鳍片间距与厚度的减小能使散热面积增加，但间距过小又会导致风道尺寸减小，风阻增大。另一方面鳍片间很容易被积尘淤满，进而影响散热效果。本文用Matlab结合热力学知识研究散热片间距与对流换热系数之间的函数关系。查得空气物性参数如表1所示。

由对流换热系数计算公式，在Matlab中以鳍片间距值为横坐标，对流换热系数值为纵坐标作图得图4。由图4可知，当鳍片间距从2 mm开始减小时，对流换热系数增加并不多。只有在鳍片间距小于0.8 mm时，对流换热系数才迅速增加，但此时在理论上不切实际，在工艺上也难以实现。当散热片间距

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由2 mm增加到3 mm，厚度由1 mm增加到1.2 mm时，散热面积减小，CPU接触处温度为52.049℃（图5所示）；反之，当散热片间距减小到1.5 mm，散热

面积增加，CPU接触处温度约为44.423 ℃（图6所示）。经Ansys软件计算得知，鳍片间距设计在1.5~2.5 mm之间较为合理。

表1 空气物性参数表

空气比热CpJ/(kg×℃) 空气导热系数k×10 W/(m×℃) 普朗特数Pr-2

空气动力粘度μ×10 5kg/(m×s) 空气质量流量W 当量直径d

Q/Cp

单个通道质量流速G' 单个通道的雷诺数Re

换热系数h

J

G'

W'/A'

ΔT d/μ

4×A/U W/10

考尔本数JRe0.7)

温差ΔT℃ 单个通道质量流量W'

Cp G'(Pr-2/3)

（4）导热结构对散热器性能的影响

在热传导、热对流和热辐射三种传热方式中，热传导是散热效率最慢的一种，热量从热源到冷却端需要较长的时间。热管的作用正是改善热传导的速度。其内热阻极小，当量导热系数极高，可达良好金属导热系数的103~104倍。它本身是一个真空的圆柱体，里面充有液体介质，热源在下端部分。圆柱下部的液体受热变成气体，向热管的上端流动。当到达顶部时，气体迫使原本在圆柱上方位置的液体向下流。同时，顶部的气体冷却降温重新变成液体，流回圆柱底部，形成对流循环。由于液体的气、液化速度非常快，故能以极高的速度将热量从热源部分传到冷却部分。在传送热量时，热管两端的温降极小。例如，分别用直径12.7 mm的铝棒和相同直径的热管将20 W的热量传递0.5 m远，铝棒两端温差为460 ℃，热管两端温差仅6 ℃。

梯度很大而鳍片间梯度很小。这说明采用热管的散热器不仅能将热量更快地传到整个散热器，而且鳍片间热量的分布也更平均。

3 结论

本文运用Ansys软件，对影响CPU散热器散热性能的各种因素进行了数值分析。通过分析可得到以下结论：

（1）热分析结果表明，不同材料对散热器的散热性能影响很大。应综合铜、铝材料各自的优势，合理选材；

（2）基底厚度、鳍片间距与厚度都是影响散热效果的因素。基底厚度的增加，鳍片间距和厚度的减小都能增加散热面积。但尺寸的过度设计又会带来一系列负面效应。应在产品总体设计要求和实际工艺条件下，合理选择散热器尺寸。

（3）由于热管工作原理的根本不同，热管结构的采用能极大提高散热器的散热性能。热管在大功率CPU散热领域具有广阔的应用前景。

图4 散热片间隔与换热 图5 鳍片间隔3mm，

系数关系曲线 1.2mm厚结构效果图

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1 mm厚结构效果图 散热梯度图

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图6 鳍片间隔1.5 mm， 图7 导热管结构鳍片

本文以Coolermaster公司生产的Coolermaster Hyper 6热管散热器为例进行了有限元分析。它采用6根热管和插指+底座结构，使用全铜材料。在经过建模、离散和加载边界条件后，计算得到其热梯度分布如图7所示。由图可知，在热管与鳍片相连处

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本文来源：https://www.bwwdw.com/article/fje4.html