一种热管式CPU芯片散热器的原理结构设计
殷际英 北方工业大学机电工程学院，北京100041
摘要：对该热管式CPU散热器的传热机理、传热路线和各传热阶段的热阻进行了定性分析和定量分析。设计了原理结构，建立了传热模型，导出了总传热系数的计算式，并给出了该热管散热器的设计计算实例。
关键词：传热；散热器；热管
中图分类号：TK17 文献标识码：A
1 前言
目前，计算机CPU 芯片的发热量已达8O w 左右，使其表面热流密度高达1O ～1O w／m。量级，并有继续增加的趋势，芯片过热问题越来越突出．常规的解决方案是增加散热器散热面积和采用专用CPU 风扇来强化对流传热作用(如图1所示)。然而，由于当前CPU 芯片的散热表面尺寸远小于贴附其上的散热器，故具有较短导热路线的中部翅片承担着主要散热任务，两侧翅片作用较小，为了增加中部区域的散热面积而采用长翅片将使得翅片肋传热效率降低[1]，既增加散热器重量，又削弱强化传热效果。
采用增加CPU 风扇风量的做法也是有隐患的，当风扇发生故障时，可能导致有些发热量大的CPU芯片短时内被高温烧损，且大功率风扇产生的机箱内高噪声也是有害的。
以上分析表明，仅依靠传导和对流两种常规热传递原理工作的金属散热器随着CPU 表面热流密度的增加，正逐渐接近其导热极限。如将热管原理和技术结合进散热器设计中，则可有效缓解了这个矛盾。
2 基本设计结构
图2给出了一种基于热管原理和技术的CPU散热器基本设计结构示意图，该图包含了热管散热器传热原理、热传递路程，以及传热环节的信息。如图2所示，散热器的关键部件是一根热管，热管从CPU 端起依次划分为蒸发段、绝热段和冷凝段三个区段，在冷凝段的外侧表面上还贴附有金属散热片。在正常工作状态下，由CPU 产生的热量首先借热传导的作用透过散热器热管蒸发段的管壁进入内腔，对处于高真空度状态的工质(纯水，或其它液态物质)an热，并使其相变为等温饱和蒸汽，蒸汽越过绝热段后抵达冷凝段。由于沿途几乎没有热损耗，故在冷凝段蒸汽温度不变，并与热管冷凝段内壁发生对流传热，将所携带热量传递给热管内壁。通过热传导作用再将热量输送到热管外壁和贴附于热管外壁上的金属散热片中。最后，借助散热片与周围冷却气流的对流传热过程将热量从散热片上掠入气流带走，而释放出汽化潜热的蒸汽则又相变为液体，并在热管内贴壁敷设的吸液网芯的毛细力作用下返回到蒸发段再加热汽化，从而构成工质相变传热循环。
热管散热器的传热机理有利于对流传热，主要体现为两点：首先，携带大量汽化潜热的饱和蒸汽由热管的蒸发段运动到冷凝段的过程是在等温状态下完成的，沿途的热损失几乎为零，可视为零热阻传输；其次，冷凝段的理论长度是不受限制的，实际上只受机箱内部空间和布局的限制，并且整个冷凝段外壁也必然是等温的。基于以上两点，热管散热器可以将散热片布置在远离CPU 芯片的位置上，且又由于可以在等温条件下加长冷凝段，以增加散热器的翅片数量，贴附在冷凝段外表面上的散热片将均等分摊热流，翅片高度和翅片厚度等肋参数可大幅调整，既能保证足够散热面积，又有很高肋效率。
3 传热模型和总传热系数
热管散热器总传热能力按描述对流传热的牛顿冷却公式
4 设计计算实例
图2是为Pentium 4(2吉赫兹)CPU芯片设计的热管散热器的原理结构示意图，CPU功率为Q一80w，散热片周围冷却气流温度为f，一3O℃ ，冷却气流流量为V：20 m。／h，要求散热器稳定工作时，CPU表面接触温度f ：6O。C，热管工质为纯水，热管材质为纯铜，散热片材质为纯铝，吸液芯为两层67目的铜丝网，热管内部真空度为1．33×10-3Pa。其他主要参数为：
g一 一 一0．002 m，s=0．004 m，d0—0．024 m，k 一399 w／(m · C)， 一236 w／(m · C)，热管内部蒸发段和冷凝段传热系数hzf=hlIl一5．8 kW／(m。·‘C)，蒸发段内壁表面积Azf一0．002592 m。，冷凝段内壁表面积Al 一0．008928 m。，冷凝段中径面积A ≈O．008928m 。
，散热片总表面积Af=0．23376 m。。此外，结合热管散热器的结构尺寸和材料物性，经式(13)、(14)和(15)计算得到的冷却气体传热系数hf一22．O12 w／(m。· C)，将以上数据再代入式(12)中，就得到以散热片总表面积A，为计算基准的总传热系数口一15．024 w／(m。·℃)。最后，由式(1)计算出该散热器传热能力为Q一105 W，超过了给定的8O w 散热功率。为了得出在此情况下的CPU 表面温度值t ，可由式(1)和(2)导出f 一Q／(aA,)+tf，并将Q一80 W 代入，即得CPU表面工作温度为tepu一52．78 C。
5 结论
采用热管原理和技术的CPU散热器具有可以在等温条件下远距离传递热量和将此热量均匀分布在较大散热面积上的特点，从而可以在冷却气流流量较小的情况下，强化对流换热的效能，因此适用于有限空间内对大功率CPU 芯片实施强化对流散热。
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A Design of Principle Structure of Radiator with Heat Pipe for CPU
YIN Ji-ying(College of Electromechainc Engineering，North China Univ．of Tech．，Beijing，100041，China)
Abstract：In this paper，the qualitative analysis for the mechanism and the courses of heat transfer and the quantitative analysis for the thermal resistance in each course of heat transfer of this radiator with heat pipe for CPU are made．And based on the results of the above analysis，the modal and the formula of total coefficient of heat transfer of this radiator are also established．Finally，the designing and calculating example of this radiator is given．
Key words：heat transfer：radiator：heat pipe
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