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
表2.3 排风风扇的特性曲线表
图2.1 风扇特性曲线图
2.2网格划分及独立性考核
采用Mesher-Hex Dominant（对曲面边界使用三棱柱网格，其它区域使用六面体网格）进行划分。
图2.2 网格划分
当环境温度为20℃，重力方向的初速度为-1m/s时，对不同网格尺寸进行考核。其中ⅠⅡ与Ⅲ对应网格数分别为：106805,164108,194051。
图2.3 CPU最高温度与网格数的曲线关系
表2.4 不同网格尺寸相对误差表
由上述网格考核结果可知，第Ⅰ种网格划分情况对结果影响较大，第Ⅱ、Ⅲ种网格相差不大，但是第Ⅲ种网格数较多，计算较慢，不利于计算，所以考虑到计算精度与计算机资源，选用Ⅱ。
2.3结果分析与讨论
2.3.1不同翅片高度的影响
叉排式散热器由翅基和翅片组成，不同翅片高度对散热效果的影响不同。设定翅片长度为50mm，前后两段翅片之间的间距为4mm，相邻翅片的间距为8mm，探究不同翅片高度对散热效果的影响。
图2.4 不同翅片高度下的CPU温度
在一定范围内，CPU的温度随着翅片高度的增加温度较低，当高度大于10mm时温度降低缓慢，散热效果没有明显增加，所以翅片高度不能太高。
2.3.2不同翅片间距的影响
应用边界层理论,当翅片的间距很小时,形成翅片间距的两个垂直放置的平板间的边界层在流道中会很早就相交,两个边界层会互相影响,导致冷空气无法进入到翅片的间距中,此时翅片的散热降低,平均换热系数降低,这种流动叫做完全湍流；当翅片间距稍有增加，两个边界层正好相交，此时的流动为湍流；翅片间距进一步增加，导致两个边界层不会相交甚至平行，不相互影响，其散热性能较好。
图2.5 不同翅片间距下的温度分布
由后处理结果可以看出在翅片间距为6mm时CPU的最高温度较低，说明散热效果明显，翅片间距为8mm时最高温度有所升高，则最佳散热效果的翅片间距在6-8mm.
2.3.3不同翅片厚度的影响
翅片长度、高度一定的情况下，翅片厚度影响边界层流动状态，进而影响其散热效率，当翅片间距和高度固定时,翅片越长,翅片中形成的边界层就越厚,使翅片的散热性能降低,翅片表面的平均温度会升高。当翅片厚度较大时,不同长度翅片的平均温度差值与厚度小时相比,变得越来越小了。所以通过研究不同厚度翅片散热器的散热效率，可以进一步确定出最佳的翅片厚度参数，具有积极地研究意义。
表2.5 CPU的最高温度与翅片厚度的相应数据
选择最高允许温度以下3%作为温度可靠的上限，则可靠温度上限是65×（1-3%）=63.05℃，所以选择背板温度为62.19℃的翅片厚度2mm为最优翅片厚度。
3 结论
（1）运用Icepak模拟叉排式散热器在计算机中的散热作用，研究不同结构参数对它的影响效果。随着翅片高度、间距及厚度的增加，在一定的范围内散热效率增加，但达到一定值后，散热效率不变甚至有下降的趋势。
（2）选择最佳结构参数时应综合考虑多方面因素，随着厚度的增加虽然散热效率仍有增加，但增加较小，厚度太大效果不好且浪费材料。
(审核编辑: Doris)
