三热管cpu散热器及其夹具结构的设计(附件)
摘 要从上世纪以来，由于私人计算机CPU工作频率的持续增加和集成度的持续提高，造成CPU表面上的热流密度急剧提升，所以CPU的散热问题已经彻底成为制约它向前发展的一个瓶颈。因此热管作为一个高效率的传热元件，它具备非常高高的导热性、良好的等温性、比较高的散热效率和良好的适应性等特点，极其特别适合用于小温差，高热流密度要求下的散热。把热管技术使CPU冷下来，已经成为现在CPU疏散热量的一个发展方向。本文主要介绍了热管散热器的原理、分类和特点,重点讲述了三热管CPU散热器的设计方法与要点。
目 录
第一章 绪论 1
1.1国内外CPU散热器的发展现状 1
1.2CPU散热器的分类 2
第二章 热管散热器 3
2.1概述 3
2.2热管的工作原理 3
2.3热管的分类 4
2.3.1按热管的运行温度分类 4
2.3.2按工作介质的组成分类 4
2.3.3按外部结构分类 5
2.3.4按有无相变分类 5
2.3.5按凝液回流方式分类 5
第三章 散热器的设计 6
3.1三热管CPU散热器的设计 6
3.2热管的设计 6
3.2.1基本结构设计 6
3.2.2传热模型和总传热系数 7
3.3散热片（鳍片）的设计 9
3.3.1散热片结构离散化 9
3.3.2散热片单元分析 10
3.4风扇 10
3.5轴承 10
3.6夹具结构的设计 11
结束语 12
致 谢 13
参考文献 14
第一章 绪论
1.1国内外CPU散热器的发展现状
过去的几十年我们见证了现代电子工业的个人计算机及其服务器日新月异的改变。于此同时，因为增加的热流体的散热问题已经严重阻挡了超级高性能的CPU的发展。当前，传统的冷却方式，像风冷，水冷和热管仍然在散热领域装扮着重要的角色。这主要归功于这些技术虽然结构比较简单，但是冷却效率较高以及成本比较低。除了这些以外，一连串的新的与更加高级
*好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^351916072*
的冷却技术正逐渐出现，例如说，微通道，离子风，压电式翅片，磁性极化纳米流体，还有微包裹体相变流体等。这些令人欢喜的计策拥有其它技术所没有的优势甚至包括能够处理极端高热流体的条件。但是对于大多数散热的方式来说，有些技术上的问题，像复杂的制造工艺，高成本，还有可靠性问题，距离大范围的商业使用依然有非常大的提升空间。[7]
在很多的新创意当中，液态金属冷却技术快速成为了这些年来最受人欢迎的散热技术。该技术最典型的优点在于液态金属的高的热物性还有它拥有其它技术没有的电磁驱动特性。现今，基于金属镓的合金被当做是最好的可用于该技术的最佳材料。这个合金有低的熔点（<10℃），高的导热率，无毒，高的沸点，因此有了优秀的冷却能力和高的可靠性。
当下最常见的用风扇来让CPU冷下来的技术已经到了它的最大限度，因为CPU聚集在一个芯片上的技术一直在发展，用风扇来让CPU冷下来的技术已经对市场产生不了吸引力。但是新型的非固态金属冷却的方法即使说起来有非常大的进化空间，但因为其不便宜的价格不适合大范围的生产，并且在实际应用时其排热的效果并不太好，和当前最优秀的风冷散热器比起来，可没有完全碾压的优势。液体有较好的流动性和导热性，所以液体散热技术被广泛的应用，被各种台式电脑和大型工作站用来散热，并且效果也比平常的用风扇来吹走热量要好很多。现在研究某体态材料冷却效果主要是研究它流动起来的样子还有冷却液的组成，冷却液一般有水、很小的流体、液态的金属。液态金属传热热量的能力在它们当属翘楚，排第二的是很小的流体，最次的是液态水。宋思洪等通过不断的实验探讨表示，不一样的功率下导热系数越高芯片温度越低，但是芯片温度降低的幅度会随着导热系数的增加而变小，所以只单方面提高导热的系数并不能使冷却液的散热效果令人们满意。所以还需要想想其它的点子（比如从比热下手）使散热性能得到加强，以获得潜热型低熔点液态金属功能热流体，它将拥有较高的导热系数和较大的等效比热。
1.2CPU散热器的分类
散热器分为主动散热和被动散热两种，主动散热我们常能看到的有风冷式散热器，被动散热的有散热片。再将散热方式分一分，可以把它分为风冷，热管，液冷，半导体制冷，压缩机制冷等。
我们最常见到的是风冷散热，它非常简单，而且价格也比较低，安装简单还很简单，但是它很依赖环境，比如气温升高了或者超频都会对它的散热性能造成很大影响。
它工作的原理是CPU散热片和CPU表面直接接触，通过热传导CPU把表面产生的热量传递给了CPU散热片；通过热对流的方式散热风扇产生气流把CPU散热片表面的热量吹走；CPU散热片周围空气的热量也通过热对流的方式被机箱内空气的流动带走到机箱外；同时周围温度低的部分都会受到温度高的部分的热辐射。换热方式有导热、对流、热辐射。[6]
第二章 热管散热器
2.1概述
热管从上世纪60年代产生以来，被当做是高效率的传热元件。我们国家参与了1984年日本的国际热管会议，1992年在中国开了第八届世界范围的热管会议，不仅如此，我国还开了了很多次的国内在热管方面，大的国家，小的国家都对这种才出来的的学科领域有好奇之感。[11]
2.2热管的工作原理
一般的散热管都是如图1这个样子。先别让管子漏气，并减少其中的压强到 Pa的负压，同时加入少量的工质，吸液芯是管的内壁上的同心圆筒式的金属丝网，吸液芯里面加满了液体工质，一旦热管的一端被弄热，管内空间的地方就会变成气体。这样一来一回，热量就从头吹到了尾。通过变着法子来赶走热量，加上热管里面组织热量流动的东西很小，用很小的的温度差别得到可观的传热率将得以实现。[1]
图1 热管示意图
2.3热管的分类
2.3.1按热管的运行温度分类
（1）低温热管
在4~200K范围内工作的热管是低温热管。如果把氦放里面工作，在4K以下完全没问题，一切正常，还有在20~30K之间教你用什么，氢和氖绝对好用。要是温度再高一点，那没办法了，用氮和氧吧。在100~200K范围内，那能用的没多少，甲烷、乙烷、F—13吧。传输系数小，细细的毛的升高系数小的除了低温，其他都没有这特点。普通的工程材料都能和它们相容。
（2）中温热管
在200~700K之间工作的热管是中温热管。目前你要是找到比这使用更广泛的热管那是不可能的。要问水在什么温度下热性能最好，那就是这个温度。在350~500K你要没有其他材料用，也用它吧，但是可惜它和常用的材料不能一起用除了铜之外，而且它的不能再低温下凝固，用起来也不那么好用。经过这么多年在钢——水相容性方面的研究中取得的进展，已经广泛应用在余热回收方面。氨在200~350K范围内是最佳的，热性能就比水差一点。不仅可以和常用材料欢快的一起用很长时间，在低温的时候也可以凝固哦，所以卫星、飞船上也会用到。在300~400K范围内常用的工质是甲醇、F—11、F—21、F—113等。甲醇有较好的控制灵敏度而且热性能就比氨差。在500~700K之间常用的工质除了导热姆、联苯等少数材料外就没其它合适的。这个温度范围对于热能的回收、化工过程有重大意义，不过困难的是寻找好的工质。
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第一章 绪论 1
1.1国内外CPU散热器的发展现状 1
1.2CPU散热器的分类 2
第二章 热管散热器 3
2.1概述 3
2.2热管的工作原理 3
2.3热管的分类 4
2.3.1按热管的运行温度分类 4
2.3.2按工作介质的组成分类 4
2.3.3按外部结构分类 5
2.3.4按有无相变分类 5
2.3.5按凝液回流方式分类 5
第三章 散热器的设计 6
3.1三热管CPU散热器的设计 6
3.2热管的设计 6
3.2.1基本结构设计 6
3.2.2传热模型和总传热系数 7
3.3散热片（鳍片）的设计 9
3.3.1散热片结构离散化 9
3.3.2散热片单元分析 10
3.4风扇 10
3.5轴承 10
3.6夹具结构的设计 11
结束语 12
致 谢 13
参考文献 14
第一章 绪论
1.1国内外CPU散热器的发展现状
过去的几十年我们见证了现代电子工业的个人计算机及其服务器日新月异的改变。于此同时，因为增加的热流体的散热问题已经严重阻挡了超级高性能的CPU的发展。当前，传统的冷却方式，像风冷，水冷和热管仍然在散热领域装扮着重要的角色。这主要归功于这些技术虽然结构比较简单，但是冷却效率较高以及成本比较低。除了这些以外，一连串的新的与更加高级
*好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^351916072*
的冷却技术正逐渐出现，例如说，微通道，离子风，压电式翅片，磁性极化纳米流体，还有微包裹体相变流体等。这些令人欢喜的计策拥有其它技术所没有的优势甚至包括能够处理极端高热流体的条件。但是对于大多数散热的方式来说，有些技术上的问题，像复杂的制造工艺，高成本，还有可靠性问题，距离大范围的商业使用依然有非常大的提升空间。[7]
在很多的新创意当中，液态金属冷却技术快速成为了这些年来最受人欢迎的散热技术。该技术最典型的优点在于液态金属的高的热物性还有它拥有其它技术没有的电磁驱动特性。现今，基于金属镓的合金被当做是最好的可用于该技术的最佳材料。这个合金有低的熔点（<10℃），高的导热率，无毒，高的沸点，因此有了优秀的冷却能力和高的可靠性。
当下最常见的用风扇来让CPU冷下来的技术已经到了它的最大限度，因为CPU聚集在一个芯片上的技术一直在发展，用风扇来让CPU冷下来的技术已经对市场产生不了吸引力。但是新型的非固态金属冷却的方法即使说起来有非常大的进化空间，但因为其不便宜的价格不适合大范围的生产，并且在实际应用时其排热的效果并不太好，和当前最优秀的风冷散热器比起来，可没有完全碾压的优势。液体有较好的流动性和导热性，所以液体散热技术被广泛的应用，被各种台式电脑和大型工作站用来散热，并且效果也比平常的用风扇来吹走热量要好很多。现在研究某体态材料冷却效果主要是研究它流动起来的样子还有冷却液的组成，冷却液一般有水、很小的流体、液态的金属。液态金属传热热量的能力在它们当属翘楚，排第二的是很小的流体，最次的是液态水。宋思洪等通过不断的实验探讨表示，不一样的功率下导热系数越高芯片温度越低，但是芯片温度降低的幅度会随着导热系数的增加而变小，所以只单方面提高导热的系数并不能使冷却液的散热效果令人们满意。所以还需要想想其它的点子（比如从比热下手）使散热性能得到加强，以获得潜热型低熔点液态金属功能热流体，它将拥有较高的导热系数和较大的等效比热。
1.2CPU散热器的分类
散热器分为主动散热和被动散热两种，主动散热我们常能看到的有风冷式散热器，被动散热的有散热片。再将散热方式分一分，可以把它分为风冷，热管，液冷，半导体制冷，压缩机制冷等。
我们最常见到的是风冷散热，它非常简单，而且价格也比较低，安装简单还很简单，但是它很依赖环境，比如气温升高了或者超频都会对它的散热性能造成很大影响。
它工作的原理是CPU散热片和CPU表面直接接触，通过热传导CPU把表面产生的热量传递给了CPU散热片；通过热对流的方式散热风扇产生气流把CPU散热片表面的热量吹走；CPU散热片周围空气的热量也通过热对流的方式被机箱内空气的流动带走到机箱外；同时周围温度低的部分都会受到温度高的部分的热辐射。换热方式有导热、对流、热辐射。[6]
第二章 热管散热器
2.1概述
热管从上世纪60年代产生以来，被当做是高效率的传热元件。我们国家参与了1984年日本的国际热管会议，1992年在中国开了第八届世界范围的热管会议，不仅如此，我国还开了了很多次的国内在热管方面，大的国家，小的国家都对这种才出来的的学科领域有好奇之感。[11]
2.2热管的工作原理
一般的散热管都是如图1这个样子。先别让管子漏气，并减少其中的压强到 Pa的负压，同时加入少量的工质，吸液芯是管的内壁上的同心圆筒式的金属丝网，吸液芯里面加满了液体工质，一旦热管的一端被弄热，管内空间的地方就会变成气体。这样一来一回，热量就从头吹到了尾。通过变着法子来赶走热量，加上热管里面组织热量流动的东西很小，用很小的的温度差别得到可观的传热率将得以实现。[1]
图1 热管示意图
2.3热管的分类
2.3.1按热管的运行温度分类
（1）低温热管
在4~200K范围内工作的热管是低温热管。如果把氦放里面工作，在4K以下完全没问题，一切正常，还有在20~30K之间教你用什么，氢和氖绝对好用。要是温度再高一点，那没办法了，用氮和氧吧。在100~200K范围内，那能用的没多少，甲烷、乙烷、F—13吧。传输系数小，细细的毛的升高系数小的除了低温，其他都没有这特点。普通的工程材料都能和它们相容。
（2）中温热管
在200~700K之间工作的热管是中温热管。目前你要是找到比这使用更广泛的热管那是不可能的。要问水在什么温度下热性能最好，那就是这个温度。在350~500K你要没有其他材料用，也用它吧，但是可惜它和常用的材料不能一起用除了铜之外，而且它的不能再低温下凝固，用起来也不那么好用。经过这么多年在钢——水相容性方面的研究中取得的进展，已经广泛应用在余热回收方面。氨在200~350K范围内是最佳的，热性能就比水差一点。不仅可以和常用材料欢快的一起用很长时间，在低温的时候也可以凝固哦，所以卫星、飞船上也会用到。在300~400K范围内常用的工质是甲醇、F—11、F—21、F—113等。甲醇有较好的控制灵敏度而且热性能就比氨差。在500~700K之间常用的工质除了导热姆、联苯等少数材料外就没其它合适的。这个温度范围对于热能的回收、化工过程有重大意义，不过困难的是寻找好的工质。
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