一種熱管式CPU芯片散熱器的原理結構設計
殷際英   北方工業大學機電工程學院，北京100041 

摘要：對該熱管式CPU散熱器的傳熱機理、傳熱路線和各傳熱階段的熱阻進行了定性分析和定量分析。設計了原理結構，建立了傳熱模型，導出了總傳熱系數的計算式，并給出了該熱管散熱器的設計計算實例。
  
關鍵詞：傳熱；散熱器；熱管
中圖分類號：TK17 文獻標識碼：A

1 前言
目前，計算機CPU 芯片的發熱量已達8O w 左右，使其表面熱流密度高達1O ～1O w／m。量級，并有繼續增加的趨勢，芯片過熱問題越來越突出．常規的解決方案是增加散熱器散熱面積和采用專用CPU 風扇來強化對流傳熱作用(如圖1所示)。然而，由于當前CPU 芯片的散熱表面尺寸遠小于貼附其上的散熱器，故具有較短導熱路線的中部翅片承擔著主要散熱任務，兩側翅片作用較小，為了增加中部區域的散熱面積而采用長翅片將使得翅片肋傳熱效率降低[1]，既增加散熱器重量，又削弱強化傳熱效果。
采用增加CPU 風扇風量的做法也是有隱患的，當風扇發生故障時，可能導致有些發熱量大的CPU芯片短時內被高溫燒損，且大功率風扇產生的機箱內高噪聲也是有害的。
以上分析表明，僅依靠傳導和對流兩種常規熱傳遞原理工作的金屬散熱器隨著CPU 表面熱流密度的增加，正逐漸接近其導熱極限。如將熱管原理和技術結合進散熱器設計中，則可有效緩解了這個矛盾。

2 基本設計結構
圖2給出了一種基于熱管原理和技術的CPU散熱器基本設計結構示意圖，該圖包含了熱管散熱器傳熱原理、熱傳遞路程，以及傳熱環節的信息。如圖2所示，散熱器的關鍵部件是一根熱管，熱管從CPU 端起依次劃分為蒸發段、絕熱段和冷凝段三個區段，在冷凝段的外側表面上還貼附有金屬散熱片。在正常工作狀態下，由CPU 產生的熱量首先借熱傳導的作用透過散熱器熱管蒸發段的管壁進入內腔，對處于高真空度狀態的工質(純水，或其它液態物質)an熱，并使其相變為等溫飽和蒸汽，蒸汽越過絕熱段后抵達冷凝段。由于沿途幾乎沒有熱損耗，故在冷凝段蒸汽溫度不變，并與熱管冷凝段內壁發生對流傳熱，將所攜帶熱量傳遞給熱管內壁。通過熱傳導作用再將熱量輸送到熱管外壁和貼附于熱管外壁上的金屬散熱片中。最后，借助散熱片與周圍冷卻氣流的對流傳熱過程將熱量從散熱片上掠入氣流帶走，而釋放出汽化潛熱的蒸汽則又相變為液體，并在熱管內貼壁敷設的吸液網芯的毛細力作用下返回到蒸發段再加熱汽化，從而構成工質相變傳熱循環。
熱管散熱器的傳熱機理有利于對流傳熱，主要體現為兩點：首先，攜帶大量汽化潛熱的飽和蒸汽由熱管的蒸發段運動到冷凝段的過程是在等溫狀態下完成的，沿途的熱損失幾乎為零，可視為零熱阻傳輸；其次，冷凝段的理論長度是不受限制的，實際上只受機箱內部空間和布局的限制，并且整個冷凝段外壁也必然是等溫的。基于以上兩點，熱管散熱器可以將散熱片布置在遠離CPU 芯片的位置上，且又由于可以在等溫條件下加長冷凝段，以增加散熱器的翅片數量，貼附在冷凝段外表面上的散熱片將均等分攤熱流，翅片高度和翅片厚度等肋參數可大幅調整，既能保證足夠散熱面積，又有很高肋效率。

3 傳熱模型和總傳熱系數
熱管散熱器總傳熱能力按描述對流傳熱的牛頓冷卻公式

4 設計計算實例
圖2是為Pentium 4(2吉赫茲)CPU芯片設計的熱管散熱器的原理結構示意圖，CPU功率為Q一80w，散熱片周圍冷卻氣流溫度為f，一3O℃ ，冷卻氣流流量為V：20 m。／h，要求散熱器穩定工作時，CPU表面接觸溫度f ：6O。C，熱管工質為純水，熱管材質為純銅，散熱片材質為純鋁，吸液芯為兩層67目的銅絲網，熱管內部真空度為1．33×10-3Pa。其他主要參數為：
g一 一 一0．002 m，s=0．004 m，d0—0．024 m，k 一399 w／(m · C)， 一236 w／(m · C)，熱管內部蒸發段和冷凝段傳熱系數hzf=hlIl一5．8 kW／(m。·‘C)，蒸發段內壁表面積Azf一0．002592 m。，冷凝段內壁表面積Al 一0．008928 m。，冷凝段中徑面積A ≈O．008928m 。
，散熱片總表面積Af=0．23376 m。。此外，結合熱管散熱器的結構尺寸和材料物性，經式(13)、(14)和(15)計算得到的冷卻氣體傳熱系數hf一22．O12 w／(m。· C)，將以上數據再代入式(12)中，就得到以散熱片總表面積A，為計算基準的總傳熱系數口一15．024 w／(m。·℃)。最后，由式(1)計算出該散熱器傳熱能力為Q一105 W，超過了給定的8O w 散熱功率。為了得出在此情況下的CPU 表面溫度值t ，可由式(1)和(2)導出f 一Q／(aA,)+tf，并將Q一80 W 代入，即得CPU表面工作溫度為tepu一52．78 C。

5 結論

采用熱管原理和技術的CPU散熱器具有可以在等溫條件下遠距離傳遞熱量和將此熱量均勻分布在較大散熱面積上的特點，從而可以在冷卻氣流流量較小的情況下，強化對流換熱的效能，因此適用于有限空間內對大功率CPU 芯片實施強化對流散熱。
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A Design of Principle Structure of Radiator with Heat Pipe for CPU

YIN Ji-ying(College of Electromechainc Engineering，North China Univ．of Tech．，Beijing，100041，China)
Abstract：In this paper，the qualitative analysis for the mechanism and the courses of heat transfer and the quantitative analysis for the thermal resistance in each course of heat transfer of this radiator with heat pipe for CPU are made．And based on the results of the above analysis，the modal and the formula of total coefficient of heat transfer of this radiator are also established．Finally，the designing and calculating example of this radiator is given．
Key words：heat transfer：radiator：heat pipe
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