超薄型離心式CPU散熱器散熱優化設計

曹利民 漆波

【摘 要】本文以厚度僅28mm的某離心式CPU散熱器為研究對象，利用CFD進行散熱分析，通過改變風扇葉片的形狀，改變散熱翅片的形狀及分布來改善CPU的散熱，使散熱效率提高6.6%。

【關鍵詞】離心式風扇;散熱器;CFD;散熱分析

Optimization design of heat dissipation of ultra-thin centrifugal CPU radiator

CAO Lin-min，QI Bo

（University of South China，School of Mechanical Engineering，Hengyang 421001，China）

Abstract：In this paper，a centrifugal CPU radiator with a thickness of only 28mm is taken as the research object，and CFD is used to analyze the heat dissipation.By changing the shape of the fan blades and the shape and distribution of the fins，the heat dissipation of the CPU is improved，and the heat dissipation efficiency is increased by 6.6%.

Keywords：centrifugal fan，heat sink，CFD，thermal analysis

0 引 言

隨著消費者對電子產品的輕、薄、小、高速等性能的追求，輕薄型筆記本電腦已經是市場主流，因其有限的空間，散熱問題一直是制約其發展的一大技術瓶頸^[1]。電腦硬件中CPU發熱最為嚴重，為了解決CPU散熱的問題，使用風冷散熱器是最為經濟的一種方法。目前市面上的風冷散熱器的風扇，絕大多為軸流式的風扇，但體積過大，而離心式風扇相對更為輕薄。

本文以Engine 27型離心式CPU散熱器為研究對象，優化風扇葉片和散熱翅片的參數，通過CFD模擬仿真來確認優化方案是否可行。

1 離心式散熱器的有限元模型

1.1 離心式散熱器有限元模型的建立

在數值模擬中，物理模型、幾何模型與實際情況差異的大小將直接影響仿真結果的準確性^[2]。本文參考型號 Engine 17 散熱器的幾何外型，使用SolidWorks軟件繪制出相似并簡化的初始模型，再使用 ANSYS FLUENT 模塊建立流場與網格^[3]。

本文優化部分為：將風扇的長葉片由曲線，翅片形狀由直線型輻射狀分布改為曲線型交錯分布^[5]。

圖1風扇和翅片截面圖（左：原模型，右：改良模型）

1.2 邊界與物理條件設定

本研究乃是模擬空氣于散熱過程中的流場分析，模型內的材料分為流體和固體，以下分別說明其性質。流體部分為空氣，流體性質定義為理想氣體，設定20℃的空氣參考密度1.225kg/m³，CPU密度為1900 kg/m?，比熱795 J/kg·K，熱傳導系數10。CPU的源項設定發熱量，計算方法為 TDP：65W除以發熱體積8×10^-6 m³，其值為8.125×10⁷W/m³。

離心風扇中，其額定轉速定義為 2500RPM，壓力速度離散采用 Sample 算法和 k-ε 湍流模型。

2 散熱器的模擬結果分析

2.1 流速對比

如圖5所示（XY剖面速度圖），氣流速度向量與葉片旋轉方向不連續。優化后的模型在葉片出口及翅片出口處的速度均高于原型，在相同轉速下，流速高散熱能量跟好。兩模型翅片上部均有回流現象，原模型回流現象更為嚴重，出口氣流集中在翅片出口下部。

圖5 速度圖（左：原模型，右：改良模型）

2.2 壓力對比

氣流經過短葉片入口和翅片入口時產生高壓（圖6中紅點處），而在高壓后的區域會產生較低的低壓，壓力差使氣流通過速度更快，故壓力差越大，散熱能力越好。從圖中可以觀察出改良模型的壓力差比原模型大，因此散熱更好。

圖6 壓力圖（左：原模型，右：改良模型）

2.3 溫度比較

經模擬計算，2500rpm下，原模型CPU平均溫度為74.3℃，改良模型CPU平均溫度為69.4℃，改良型比原型散熱效率提高6.6%。

3 ?結 論

通過數值模擬仿真，對散熱器進行了分析，得到以下結論：

1）S型長葉片，可將吸入的氣體集中后，順著葉面導流送出，可增加空氣流量，而提高風扇的散熱效果。

2）曲面翅片可以使氣流更順暢的流出，氣流經過交錯分布的翅片時，沖擊會產生高壓，壓力差使氣流通過速度更快，散熱能力更好。

參考文獻：

[1] 高翔，凌惠琴，李明，等.CPU散熱技術的最新研究進展[J].上海交通大學學報，2007，41（41）：48-53.

[2] Bar-Cohen A，Iyengar M.Design and optimization of air-cooled heat sinks for sustainable development[J].IEEE Transactions on Components and Packaging Technologies，2002，25（4）：584-591.

[3] 朱紅鈞，林元華，謝龍漢.流體分析及仿真實用教程[M].北京：人民郵電出版社.

[4] 李景銀，梁亞勛，田華.不同型線離心風機葉輪的性能對比研究[J].工程熱物理學報，2008，28（06）：963-966.

[5] 陸正裕，熊建銀，屈治國.散熱器換熱特性的實驗研究[J].工程熱物理學報，2004，25（5）：77-80.

作者簡介：

曹利民（1982—），男，碩士研究生，主要從事流體機械研究;

漆波（1976—），男，博士，副教授，主要從事傳熱傳質、新能源技術、節能減排、功能涂層制備及機械加工過程中的工程熱物理問題的研究。

（作者單位：南華大學 機械工程學院）