簡(jiǎn)要介紹CPU散熱器原理（課堂PPT）

1、.1C P U 散散 熱熱 器器2010年10月.2CPU散熱器發(fā)展背景散熱器發(fā)展背景 早期的早期的CPU芯片功率不足芯片功率不足10W，不需要用散熱器。，不需要用散熱器。上世上世紀(jì)紀(jì)90年代中期以后，年代中期以后，隨著隨著CPU主頻和集成度大幅度提高，主頻和集成度大幅度提高，CPU的功率和發(fā)熱量明顯提高。的功率和發(fā)熱量明顯提高。到到2004年年Intel公司推出的公司推出的Pentium4主頻為主頻為3.6GHz的的CPU功率更是達(dá)到功率更是達(dá)到115W。如此。如此巨大的功率嚴(yán)重威脅到巨大的功率嚴(yán)重威脅到CPU的工作和發(fā)展，而的工作和發(fā)展，而CPU必須借必須借助散熱器才能工作，雖然助散熱器才

2、能工作，雖然Intel在在2006年下半年推出酷睿雙年下半年推出酷睿雙核將功耗降低近一半，每個(gè)核心的功耗只有核將功耗降低近一半，每個(gè)核心的功耗只有30W至至35W，與上一代因特爾臺(tái)式機(jī)處理器產(chǎn)品相比，因特爾酷睿與上一代因特爾臺(tái)式機(jī)處理器產(chǎn)品相比，因特爾酷睿2臺(tái)式臺(tái)式機(jī)處理器在提供機(jī)處理器在提供1.4倍的倍的CPU計(jì)算性能同時(shí)，能耗降低了計(jì)算性能同時(shí)，能耗降低了40%，但是對(duì)于現(xiàn)在一些四核的，但是對(duì)于現(xiàn)在一些四核的CPU來(lái)說(shuō)，功率仍然很高。來(lái)說(shuō)，功率仍然很高。為適應(yīng)為適應(yīng)CPU的不斷發(fā)展，的不斷發(fā)展，CPU散熱器也有了長(zhǎng)足的發(fā)展。散熱器也有了長(zhǎng)足的發(fā)展。.3CPU散熱器的分類散熱器的分類 散熱器

3、常被分為散熱器常被分為主動(dòng)散熱主動(dòng)散熱和和被動(dòng)散熱被動(dòng)散熱，前者常見(jiàn)的有風(fēng)冷式，前者常見(jiàn)的有風(fēng)冷式散熱器，后者常見(jiàn)的為散熱片。進(jìn)一步細(xì)分散熱方式，可以散熱器，后者常見(jiàn)的為散熱片。進(jìn)一步細(xì)分散熱方式，可以分為風(fēng)冷，熱管，液冷，半導(dǎo)體制冷，壓縮機(jī)制冷等。分為風(fēng)冷，熱管，液冷，半導(dǎo)體制冷，壓縮機(jī)制冷等。 風(fēng)冷散熱是最常見(jiàn)的，而且非常簡(jiǎn)單，具有風(fēng)冷散熱是最常見(jiàn)的，而且非常簡(jiǎn)單，具有價(jià)格相對(duì)較低，價(jià)格相對(duì)較低，安裝簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，安裝簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，但對(duì)環(huán)境依賴比較高，例如氣溫升高以及但對(duì)環(huán)境依賴比較高，例如氣溫升高以及超頻時(shí)其散熱性能就會(huì)大受影響。超頻時(shí)其散熱性能就會(huì)大受影響。 它的它的工作原理是工作原理是C

4、PU散熱片與散熱片與CPU表面直接接觸，表面直接接觸，CPU表表面的熱量通過(guò)熱傳導(dǎo)傳遞給面的熱量通過(guò)熱傳導(dǎo)傳遞給CPU散熱片；散熱風(fēng)扇產(chǎn)生氣流散熱片；散熱風(fēng)扇產(chǎn)生氣流通過(guò)熱對(duì)流將通過(guò)熱對(duì)流將CPU散熱片表面的熱量帶走；而機(jī)箱內(nèi)空氣的散熱片表面的熱量帶走；而機(jī)箱內(nèi)空氣的流動(dòng)也是通過(guò)熱對(duì)流將流動(dòng)也是通過(guò)熱對(duì)流將 CPU 散熱片周圍空氣的熱量帶走，散熱片周圍空氣的熱量帶走，直到機(jī)箱外；同時(shí)所有溫度高的部分會(huì)對(duì)周圍溫度低的部分直到機(jī)箱外；同時(shí)所有溫度高的部分會(huì)對(duì)周圍溫度低的部分發(fā)生熱輻射。發(fā)生熱輻射。換熱方式包括了換熱方式包括了導(dǎo)熱、對(duì)流、熱輻射。導(dǎo)熱、對(duì)流、熱輻射。.4散熱器的散熱方式散熱器的散熱方

5、式圖1 散熱器的剖面圖.5鰭片的材質(zhì)鰭片的材質(zhì) 散熱片材質(zhì)按導(dǎo)熱性能從高到低排列，散熱片材質(zhì)按導(dǎo)熱性能從高到低排列，分別是分別是銀、銅、鋁、鋼銀、銅、鋁、鋼。由于銀的價(jià)錢較。由于銀的價(jià)錢較高，所以常采用銅和鋁合金。銅的導(dǎo)熱性高，所以常采用銅和鋁合金。銅的導(dǎo)熱性好，但價(jià)錢貴，加工難度較高，重量過(guò)大，好，但價(jià)錢貴，加工難度較高，重量過(guò)大，熱容量較小，而且易氧化。純鋁太軟，不熱容量較小，而且易氧化。純鋁太軟，不能直接使用，能直接使用，鋁合金有足夠的硬度，價(jià)格鋁合金有足夠的硬度，價(jià)格低廉，重量輕，導(dǎo)熱性又遜于銅。低廉，重量輕，導(dǎo)熱性又遜于銅。有些散有些散熱器為了改善傳熱性能，熱器為了改善傳熱性能，在鋁

6、合金散熱器在鋁合金散熱器底座上嵌入銅板。底座上嵌入銅板。.6導(dǎo)熱介質(zhì)導(dǎo)熱介質(zhì) 導(dǎo)熱介質(zhì)主要有導(dǎo)熱介質(zhì)主要有導(dǎo)熱硅膠（也稱散熱膏）、石墨膠片、導(dǎo)熱硅膠（也稱散熱膏）、石墨膠片、鋁箔導(dǎo)熱墊片、外加保護(hù)膜的相變導(dǎo)熱墊片。鋁箔導(dǎo)熱墊片、外加保護(hù)膜的相變導(dǎo)熱墊片。導(dǎo)熱介質(zhì)主導(dǎo)熱介質(zhì)主要用來(lái)填補(bǔ)散熱片與要用來(lái)填補(bǔ)散熱片與CPU表面間的空隙，使表面間的空隙，使CPU與散熱與散熱片能夠緊密的結(jié)合，讓熱量容易傳到散熱片上。減少片能夠緊密的結(jié)合，讓熱量容易傳到散熱片上。減少接觸接觸熱阻熱阻。 最常用的是導(dǎo)熱硅膠。在散熱片與最常用的是導(dǎo)熱硅膠。在散熱片與CPU表面的接觸表面的接觸面上適量涂抹硅脂，填補(bǔ)空隙，使熱傳導(dǎo)

7、良好。不同公司面上適量涂抹硅脂，填補(bǔ)空隙，使熱傳導(dǎo)良好。不同公司的硅脂，成分也不同，其中以添加了金屬氧化物的產(chǎn)品的硅脂，成分也不同，其中以添加了金屬氧化物的產(chǎn)品（多數(shù)為深灰色）的效果好。（多數(shù)為深灰色）的效果好。.7 散熱器的散熱過(guò)程是三種方式共同作用的過(guò)程，但主要是散熱器的散熱過(guò)程是三種方式共同作用的過(guò)程，但主要是兩種方式，包括了散熱器和兩種方式，包括了散熱器和CPU部件間的導(dǎo)熱和散熱器表部件間的導(dǎo)熱和散熱器表面的對(duì)流換熱兩個(gè)環(huán)節(jié)。面的對(duì)流換熱兩個(gè)環(huán)節(jié)。 散熱器的表面積越大，其散熱效率就越高。但是在一定的散熱器的表面積越大，其散熱效率就越高。但是在一定的環(huán)境下，表面積的增大有可能降低散熱器的

8、結(jié)構(gòu)效率；散環(huán)境下，表面積的增大有可能降低散熱器的結(jié)構(gòu)效率；散熱器的鰭的結(jié)構(gòu)對(duì)不同環(huán)境中的散熱器散熱性能也有較大熱器的鰭的結(jié)構(gòu)對(duì)不同環(huán)境中的散熱器散熱性能也有較大影響。影響。 借助借助Icepak熱分析軟件分析各種因素對(duì)換熱性能的影響。熱分析軟件分析各種因素對(duì)換熱性能的影響。 .8 散熱器材質(zhì)默認(rèn)為鋁，散熱器底面積為散熱器材質(zhì)默認(rèn)為鋁，散熱器底面積為100100平方毫米，基底設(shè)置為平方毫米，基底設(shè)置為5mm，鰭片厚，鰭片厚度為度為2mm；CPU及散熱器下面的所有熱源，簡(jiǎn)化及散熱器下面的所有熱源，簡(jiǎn)化為一個(gè)面積大小為為一個(gè)面積大小為2020平方毫米，功率平方毫米，功率30W的的平面熱源，采取室溫

9、環(huán)境，空氣自然對(duì)流。平面熱源，采取室溫環(huán)境，空氣自然對(duì)流。因?yàn)橐驗(yàn)閮H為了考慮散熱器物理結(jié)構(gòu)對(duì)其散熱性能的影響。僅為了考慮散熱器物理結(jié)構(gòu)對(duì)其散熱性能的影響。所以，對(duì)模型設(shè)置進(jìn)行了簡(jiǎn)化，并直接將熱源放所以，對(duì)模型設(shè)置進(jìn)行了簡(jiǎn)化，并直接將熱源放置在散熱器底面的中央。對(duì)于仿真結(jié)果，直觀的置在散熱器底面的中央。對(duì)于仿真結(jié)果，直觀的觀察熱源的溫度變化，這也直接反應(yīng)了散熱器物觀察熱源的溫度變化，這也直接反應(yīng)了散熱器物理參數(shù)的變化對(duì)其散熱性能的影響。理參數(shù)的變化對(duì)其散熱性能的影響。.9底面尺寸變化的影響底面尺寸變化的影響 鰭高設(shè)置為鰭高設(shè)置為45mm，散熱器底面尺寸的長(zhǎng)散熱器底面尺寸的長(zhǎng)和寬分別從和寬分別從5

10、0mm變變化到化到120mm，間隔，間隔10mm，設(shè)置鰭片個(gè)，設(shè)置鰭片個(gè)數(shù)為數(shù)為10片，進(jìn)行仿真片，進(jìn)行仿真分析。圖分析。圖2散熱器底散熱器底面尺寸的變化對(duì)散熱面尺寸的變化對(duì)散熱性能的影性能的影響圖2 散熱器底面尺寸的變化對(duì)散熱性能的影響.10底面尺寸變化的影響底面尺寸變化的影響 不管是隨著底面長(zhǎng)邊的變化還是短邊的變化，都表現(xiàn)不管是隨著底面長(zhǎng)邊的變化還是短邊的變化，都表現(xiàn)為底面積的增大，隨著面積的增大，熱源溫度也不斷的下為底面積的增大，隨著面積的增大，熱源溫度也不斷的下降。說(shuō)明隨底面積的增加，散熱器的散熱性能越來(lái)越好。降。說(shuō)明隨底面積的增加，散熱器的散熱性能越來(lái)越好。但隨著不同底邊的變化，散熱

11、性能有一定差別。隨底面長(zhǎng)但隨著不同底邊的變化，散熱性能有一定差別。隨底面長(zhǎng)邊的增加，在增加底面面積的同時(shí)，鰭片的面積也在增加；邊的增加，在增加底面面積的同時(shí)，鰭片的面積也在增加；而隨著底面寬邊的增加，僅增加了底面面積。所以，在圖而隨著底面寬邊的增加，僅增加了底面面積。所以，在圖中看到剛開(kāi)始時(shí)隨長(zhǎng)邊變化曲線斜率較大，當(dāng)?shù)酌婷娣e大中看到剛開(kāi)始時(shí)隨長(zhǎng)邊變化曲線斜率較大，當(dāng)?shù)酌婷娣e大過(guò)一定值后，鰭面積增加帶來(lái)的影響相比底面積增加帶來(lái)過(guò)一定值后，鰭面積增加帶來(lái)的影響相比底面積增加帶來(lái)的影響可忽略，所以之后兩條線趨于一致，而且當(dāng)?shù)酌娣e的影響可忽略，所以之后兩條線趨于一致，而且當(dāng)?shù)酌娣e大過(guò)一定值后，在增大底

12、面積對(duì)散熱性能影響不大。大過(guò)一定值后，在增大底面積對(duì)散熱性能影響不大。.11鰭片高度變化的影響鰭片高度變化的影響 設(shè)置鰭高度從設(shè)置鰭高度從0mm變變化到化到60mm，間隔，間隔5mm，進(jìn)行仿真分析，進(jìn)行仿真分析。圖3 鰭高度的變化對(duì)散熱器散熱性能的影響.12鰭片高度變化的影響鰭片高度變化的影響 隨著鰭高的增加，散熱器溫度曲線斜隨著鰭高的增加，散熱器溫度曲線斜率越來(lái)越小，即溫度減小的速度越來(lái)越慢。率越來(lái)越小，即溫度減小的速度越來(lái)越慢。可以預(yù)期，當(dāng)鰭高高過(guò)一定高度時(shí)，鰭高可以預(yù)期，當(dāng)鰭高高過(guò)一定高度時(shí)，鰭高的變化對(duì)散熱器的散熱性能的影響將會(huì)很的變化對(duì)散熱器的散熱性能的影響將會(huì)很微弱。微弱。.13鰭

13、片個(gè)數(shù)變化的影響鰭片個(gè)數(shù)變化的影響 設(shè)置鰭個(gè)數(shù)從設(shè)置鰭個(gè)數(shù)從5個(gè)變化到個(gè)變化到20個(gè)，個(gè)，進(jìn)行仿真分析。進(jìn)行仿真分析。圖4 片狀鰭個(gè)數(shù)的變化對(duì)散熱器性能的影響.14鰭片個(gè)數(shù)變化的影響鰭片個(gè)數(shù)變化的影響 散熱器片數(shù)存在一個(gè)最優(yōu)值，使散熱散熱器片數(shù)存在一個(gè)最優(yōu)值，使散熱器散熱性能最佳。因?yàn)殡m然片狀鰭個(gè)數(shù)是器散熱性能最佳。因?yàn)殡m然片狀鰭個(gè)數(shù)是增加增大了散熱面積，但同時(shí)片狀鰭間距增加增大了散熱面積，但同時(shí)片狀鰭間距減小，鰭間的空氣流動(dòng)就會(huì)受到制約，所減小，鰭間的空氣流動(dòng)就會(huì)受到制約，所以不是鰭數(shù)越多越好。從圖中可以看出片以不是鰭數(shù)越多越好。從圖中可以看出片數(shù)數(shù)10左右散熱性能最佳。左右散熱性能最佳。.

14、15鰭片厚度變化的影響鰭片厚度變化的影響圖5 片狀鰭鰭片厚度的變化對(duì)散熱器性能的影響 設(shè)置鰭厚度從設(shè)置鰭厚度從0mm變化到變化到5mm，間隔，間隔0.5mm，進(jìn)行仿，進(jìn)行仿真分析。真分析。.16鰭片厚度變化的影響鰭片厚度變化的影響 鰭片厚度對(duì)散熱器性能的影響同樣存鰭片厚度對(duì)散熱器性能的影響同樣存在一個(gè)最佳值。雖然鰭片厚度的增加，增在一個(gè)最佳值。雖然鰭片厚度的增加，增加了總散熱面積，但同時(shí)鰭片間距減小，加了總散熱面積，但同時(shí)鰭片間距減小，鰭間空氣流動(dòng)受到制約，所以不是鰭越厚鰭間空氣流動(dòng)受到制約，所以不是鰭越厚越好。越好。.17熱源位置變化的影響熱源位置變化的影響圖6 熱源位置的變化對(duì)散熱器散熱性

15、能的影響 設(shè)置偏離中設(shè)置偏離中心從心從0mm變化變化到到60mm，間，間隔隔10mm，進(jìn)，進(jìn)行仿真分析。行仿真分析。.18熱源位置變化的影響熱源位置變化的影響 散熱器安裝位置的改變對(duì)散熱性能也散熱器安裝位置的改變對(duì)散熱性能也有影響。在熱源偏離中心位置有影響。在熱源偏離中心位置40mm以內(nèi)以內(nèi)時(shí)，時(shí)，CPU溫度變化不大，但之后溫度有較溫度變化不大，但之后溫度有較大的上升趨勢(shì)。這說(shuō)明，只有大的上升趨勢(shì)。這說(shuō)明，只有CPU偏離中偏離中心位置較遠(yuǎn)，且距離散熱器邊緣很近時(shí)對(duì)心位置較遠(yuǎn)，且距離散熱器邊緣很近時(shí)對(duì)散熱器是散熱性能影響較大散熱器是散熱性能影響較大。.19 通過(guò)以上幾個(gè)因素的分析對(duì)比可以看出，散

16、熱器通過(guò)以上幾個(gè)因素的分析對(duì)比可以看出，散熱器鰭個(gè)數(shù)、底面面積及鰭高度的變化鰭個(gè)數(shù)、底面面積及鰭高度的變化對(duì)散熱器散熱對(duì)散熱器散熱性能的影響都很大。其中，散熱器性能的影響都很大。其中，散熱器鰭高度鰭高度變化對(duì)變化對(duì)散熱器散熱性能的影響最大（溫度總共下降了約散熱器散熱性能的影響最大（溫度總共下降了約80），），散熱器底面積散熱器底面積其次（溫度總下降了約其次（溫度總下降了約20），而），而鰭的個(gè)數(shù)、厚度的影響最小且有最優(yōu)鰭的個(gè)數(shù)、厚度的影響最小且有最優(yōu)值。值。另外，熱源的位置或者說(shuō)散熱器的暗轉(zhuǎn)位置另外，熱源的位置或者說(shuō)散熱器的暗轉(zhuǎn)位置變化對(duì)散熱器的散熱性能也有一定影響。變化對(duì)散熱器的散熱性能也有

17、一定影響。 通過(guò)以上分析，找出了影響散熱器散熱特性的主通過(guò)以上分析，找出了影響散熱器散熱特性的主要因素：對(duì)于片狀鰭散熱器影響較大的是鰭高度、要因素：對(duì)于片狀鰭散熱器影響較大的是鰭高度、鰭個(gè)數(shù)及散熱器底面面積。鰭個(gè)數(shù)及散熱器底面面積。.20熱管散熱器熱管散熱器 散熱管的優(yōu)點(diǎn)是散熱管的優(yōu)點(diǎn)是沒(méi)沒(méi)有移動(dòng)式的零件，不有移動(dòng)式的零件，不必消耗電池，同時(shí)可必消耗電池，同時(shí)可以長(zhǎng)時(shí)間有效，以長(zhǎng)時(shí)間有效，因此因此在筆記本上有較多應(yīng)在筆記本上有較多應(yīng)用。用。圖7 熱管散熱器.21熱管散熱器熱管散熱器 熱管一般是中空的圓柱管，熱管一般是中空的圓柱管，熱管兩端產(chǎn)生溫差的時(shí)熱管兩端產(chǎn)生溫差的時(shí)候，蒸發(fā)段的液體就會(huì)迅速

18、氣化，將熱量帶向冷凝端，候，蒸發(fā)段的液體就會(huì)迅速氣化，將熱量帶向冷凝端，速速度非常快。兩端溫差越大，蒸發(fā)速度越大。度非常快。兩端溫差越大，蒸發(fā)速度越大。液體在冷凝端液體在冷凝端凝結(jié)液化以后，通過(guò)毛細(xì)作用，流回蒸發(fā)端。如此循環(huán)往凝結(jié)液化以后，通過(guò)毛細(xì)作用，流回蒸發(fā)端。如此循環(huán)往復(fù)，不斷地將熱量帶向溫度低的一端復(fù)，不斷地將熱量帶向溫度低的一端。水與氣之間的相變。水與氣之間的相變反應(yīng)，使熱管的熱傳導(dǎo)效率比普通的純銅高數(shù)十倍，甚至反應(yīng)，使熱管的熱傳導(dǎo)效率比普通的純銅高數(shù)十倍，甚至百倍。應(yīng)用這種方式可以用幾倍的速度將熱量從熱管的底百倍。應(yīng)用這種方式可以用幾倍的速度將熱量從熱管的底部導(dǎo)到熱管的頂部。這種極

19、佳的導(dǎo)熱性能，可以使熱量不部導(dǎo)到熱管的頂部。這種極佳的導(dǎo)熱性能，可以使熱量不會(huì)在發(fā)熱部位堆積，而是均勻地散發(fā)到了散熱器的各個(gè)散會(huì)在發(fā)熱部位堆積，而是均勻地散發(fā)到了散熱器的各個(gè)散熱翅片上，極大的提高了散熱片的導(dǎo)熱性能。熱翅片上，極大的提高了散熱片的導(dǎo)熱性能。.22液體冷卻散熱器液體冷卻散熱器圖8 液體冷卻散熱器.23液體冷卻散熱器液體冷卻散熱器 液體冷卻原理是：液體冷卻原理是：通過(guò)附在通過(guò)附在CPU上的吸熱上的吸熱盒迅速將熱流傳導(dǎo)到冷盒迅速將熱流傳導(dǎo)到冷卻液，通過(guò)冷卻液在散卻液，通過(guò)冷卻液在散熱鰭片中的循環(huán)流動(dòng)來(lái)熱鰭片中的循環(huán)流動(dòng)來(lái)達(dá)到降溫效果，如此循達(dá)到降溫效果，如此循環(huán)不息。環(huán)不息。能較好能較好解決降解決降溫問(wèn)題和降噪問(wèn)題的散溫問(wèn)題和降噪問(wèn)題的散熱方式是液體冷卻，熱方式是液體冷卻，常常被稱為被稱為“水冷水冷”。冷卻。冷卻液不一定都是水。液不一定都是水。圖9 冷卻液在水冷系統(tǒng)中的循環(huán)示意圖.24參考文獻(xiàn)參考文獻(xiàn)