超薄型離心式CPU散熱器散熱優(yōu)化設(shè)計(jì)

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(duì)象，利用CFD進(jìn)行散熱分析，通過改變風(fēng)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(guān)鍵詞】離心式風(fēng)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(fèi)者對(duì)電子產(chǎn)品的輕、薄、小、高速等性能的追求，輕薄型筆記本電腦已經(jīng)是市場(chǎng)主流，因其有限的空間，散熱問題一直是制約其發(fā)展的一大技術(shù)瓶頸^[1]。電腦硬件中CPU發(fā)熱最為嚴(yán)重，為了解決CPU散熱的問題，使用風(fēng)冷散熱器是最為經(jīng)濟(jì)的一種方法。目前市面上的風(fēng)冷散熱器的風(fēng)扇，絕大多為軸流式的風(fēng)扇，但體積過大，而離心式風(fēng)扇相對(duì)更為輕薄。

本文以Engine 27型離心式CPU散熱器為研究對(duì)象，優(yōu)化風(fēng)扇葉片和散熱翅片的參數(shù)，通過CFD模擬仿真來確認(rèn)優(yōu)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(shù)值模擬中，物理模型、幾何模型與實(shí)際情況差異的大小將直接影響仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性^[2]。本文參考型號(hào) Engine 17 散熱器的幾何外型，使用SolidWorks軟件繪制出相似并簡(jiǎn)化的初始模型，再使用 ANSYS FLUENT 模塊建立流場(chǎng)與網(wǎng)格^[3]。

本文優(yōu)化部分為：將風(fēng)扇的長(zhǎng)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(cuò)分布^[5]。

圖1風(fēng)扇和翅片截面圖（左：原模型，右：改良模型）

1.2 邊界與物理?xiàng)l件設(shè)定

本研究乃是模擬空氣于散熱過程中的流場(chǎng)分析，模型內(nèi)的材料分為流體和固體，以下分別說明其性質(zhì)。流體部分為空氣，流體性質(zhì)定義為理想氣體，設(shè)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(dǎo)系數(shù)10。CPU的源項(xiàng)設(shè)定發(fā)熱量，計(jì)算方法為 TDP：65W除以發(fā)熱體積8×10^-6 m³，其值為8.125×10⁷W/m³。

離心風(fēng)扇中，其額定轉(zhuǎn)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(jié)果分析

2.1 流速對(duì)比

如圖5所示（XY剖面速度圖），氣流速度向量與葉片旋轉(zhuǎn)方向不連續(xù)。優(yōu)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(zhuǎn)速下，流速高散熱能量跟好。兩模型翅片上部均有回流現(xiàn)象，原模型回流現(xiàn)象更為嚴(yán)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(duì)比

氣流經(jīng)過短葉片入口和翅片入口時(shí)產(chǎn)生高壓（圖6中紅點(diǎn)處），而在高壓后的區(qū)域會(huì)產(chǎn)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(jīng)模擬計(jì)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(jié) 論

通過數(shù)值模擬仿真，對(duì)散熱器進(jìn)行了分析，得到以下結(jié)論：

1）S型長(zhǎng)葉片，可將吸入的氣體集中后，順著葉面導(dǎo)流送出，可增加空氣流量，而提高風(fēng)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(jīng)過交錯(cuò)分布的翅片時(shí)，沖擊會(huì)產(chǎn)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(xiàn)：

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作者簡(jiǎn)介：

曹利民（1982—），男，碩士研究生，主要從事流體機(jī)械研究;

漆波（1976—），男，博士，副教授，主要從事傳熱傳質(zhì)、新能源技術(shù)、節(jié)能減排、功能涂層制備及機(jī)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(xué) 機(jī)械工程學(xué)院）