電腦機(jī)箱溫度的檢測(cè)及散熱優(yōu)化

陳杰 張軍 劉思瑩

關(guān)鍵詞： 電腦機(jī)箱; 散熱優(yōu)化; 溫度檢測(cè); 有限元模型; 散熱器; 主板芯片

中圖分類(lèi)號(hào)： TN911.23?34 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號(hào)： 1004?373X（2019）14?0022?05

Temperature detection and heat dissipation optimization of computer case

CHEN Jie1， ZHANG Jun1， LIU Siying2

（1. Beijing Key Laboratory of Performance Guarantee on Urban Rail Transit Vehicles， Beijing University of Civil Engineering and Architecture，

Beijing 102616， China; 2. Beijing MTR Corporation， Beijing 100068， China）

Abstract： The heat generation and dissipation of the computer have an important effect on the operation performance of the computer. A heat dissipation calculation finite element model of the computer case isestablished for simulation， and the internal temperature distribution of the desktop computer case in different status is measured by using the infrared imaging system to verify the rationality of the finite element calculation results by using the practical measurement results. The temperature distribution mechanism of the computer at different working stages is explored. The finite element calculation method is adopted to optimize the internal heat dissipation and improve the heat dissipation effect of the computer case. The results show that the highest temperature in the practical measurement occurs and concentrates around the motherboard chip， and the maximum temperature can reach 65 ℃. The simulation results show that the fin?type aluminum heat sink has a significant heat dissipation effect on the chip， and the optimization method of adding the heat sink to the motherboard chip can reduce the temperature of the motherboard chip by 35.19%， make the calculation capability of the motherboard chip reach 88%， and has a significant optimization effect.

Keywords： computer case; heat dissipation optimization; temperature detection; finite element model; heat sink; motherboard chip

0 ?引 ?言

臺(tái)式計(jì)算機(jī)在運(yùn)算過(guò)程中由于芯片的高速運(yùn)轉(zhuǎn)，產(chǎn)生較大熱量。機(jī)箱內(nèi)部的產(chǎn)熱與散熱對(duì)計(jì)算機(jī)性能影響顯著，為了使計(jì)算機(jī)處于高性能運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)，針對(duì)計(jì)算機(jī)工作狀態(tài)中機(jī)箱溫度變化情況的監(jiān)測(cè)、分析以及優(yōu)化就十分有必要。

機(jī)箱溫度測(cè)量以及散熱結(jié)構(gòu)優(yōu)化的研究有很多，席傳鵬等通過(guò)多通道測(cè)試儀對(duì)散熱優(yōu)化后主要零部件的溫度進(jìn)行了測(cè)量[1]。潘美娜采用熱電偶和數(shù)據(jù)采集模塊測(cè)量機(jī)箱內(nèi)主要器件的溫度變化情況[2]。文獻(xiàn)[3?4]使用紅外測(cè)量?jī)x測(cè)量了PCB板上不同位置處的實(shí)驗(yàn)電阻溫度，分析了不同位置處的散熱系數(shù)的分布規(guī)律。文獻(xiàn)[3，5?6]等通過(guò)機(jī)箱箱體結(jié)構(gòu)優(yōu)化，合理組織氣流，提高散熱效率。文獻(xiàn)[1，7?8]等通過(guò)增加風(fēng)道、環(huán)路散熱系統(tǒng)、均溫板和散熱片提高系統(tǒng)的散熱效率。文獻(xiàn)[4，9?10]研究了風(fēng)冷、散熱翅片等結(jié)構(gòu)的散熱原理，并基于原理進(jìn)行優(yōu)化。本文使用熱紅外成像儀測(cè)量機(jī)箱內(nèi)部溫度，以測(cè)量結(jié)果驗(yàn)證仿真計(jì)算的合理性，并通過(guò)有限元分析對(duì)機(jī)箱的散熱結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，提高機(jī)箱風(fēng)冷散熱性能。

1 ?測(cè)量過(guò)程及結(jié)果分析

測(cè)量對(duì)象為某型號(hào)臺(tái)式計(jì)算機(jī)，機(jī)箱內(nèi)部主要結(jié)構(gòu)分布如圖1所示，主要包括光驅(qū)、硬盤(pán)盒、主板和電源等關(guān)鍵部件，散熱方式為單風(fēng)扇強(qiáng)迫風(fēng)冷散熱。使用某品牌MAG32型號(hào)紅外成像儀進(jìn)行溫度測(cè)量，該成像儀可測(cè)溫度范圍為-20～600 ℃，誤差在0.1 ℃，符合測(cè)量要求。

記錄開(kāi)機(jī)過(guò)程每個(gè)階段機(jī)箱內(nèi)溫度分布情況。圖2綜合了整個(gè)啟動(dòng)過(guò)程溫度變化數(shù)據(jù)，在280 s的觀測(cè)時(shí)間內(nèi)計(jì)算機(jī)最高溫度從21.9 ℃上升到55.3 ℃，溫升較為明顯。機(jī)箱內(nèi)平均溫度和最低溫度趨勢(shì)基本保持一致，上升趨勢(shì)較最高溫度曲線平緩。

取整個(gè)測(cè)量過(guò)程的3個(gè)時(shí)間節(jié)點(diǎn)溫度分布如圖3所示。通過(guò)對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)，3個(gè)時(shí)間節(jié)點(diǎn)中的溫差越來(lái)越大，0 s時(shí)溫度分布較為均勻，在17～22 ℃范圍內(nèi)，整體溫差較小;130 s時(shí)溫差開(kāi)始明顯擴(kuò)大，最高溫度達(dá)到41.3 ℃，主要集中在主板芯片區(qū);在280 s時(shí)最高溫度達(dá)到55 ℃，溫差最大為39.2 ℃，主板區(qū)與非核心工作區(qū)溫度對(duì)比明顯。

2 ?仿真分析

2.1 ?模型建立

對(duì)機(jī)箱結(jié)構(gòu)進(jìn)行簡(jiǎn)化處理，簡(jiǎn)化為光驅(qū)、散熱風(fēng)筒、硬盤(pán)盒、電源、主板、CPU、北橋芯片、主板芯片、CPU散熱器、北橋散熱器以及機(jī)箱等部分，如圖4所示，在簡(jiǎn)化的基礎(chǔ)上建立幾何模型。

定義機(jī)箱中CPU芯片、北橋芯片、主板芯片、電源、硬盤(pán)、光驅(qū)為熱源。環(huán)境溫度和默認(rèn)固體溫度均定義為20 ℃。各個(gè)關(guān)鍵零部件的材料及熱邊界條件設(shè)置如表1所示。

定義流體為空氣，流體的初始溫度定義為環(huán)境溫度20 ℃?？諝馊肟谂c空氣出口的壓力差設(shè)置為5 Pa。忽略熱輻射的影響，假設(shè)模擬過(guò)程中的各個(gè)材料的性質(zhì)不隨溫度的改變而改變。以內(nèi)部分析作為分析類(lèi)型，分析過(guò)程中忽略不具備流動(dòng)條件的空腔。

2.2 計(jì)算及結(jié)果分析

仿真結(jié)果溫度分布如圖5所示。仿真與實(shí)際測(cè)量時(shí)，最高溫度區(qū)域均位于主板芯片周?chē)?，分別為69.76 ℃和55 ℃。同時(shí)有相似的溫度集中區(qū)，均分布在北橋芯片和主板芯片周?chē)?，集中區(qū)的溫度分別在45 ℃左右和40 ℃左右。通過(guò)對(duì)比分析可知，仿真結(jié)果具有一定的參考性。

兩者溫度梯度有一定差別，主要原因是實(shí)際測(cè)量過(guò)程中機(jī)箱側(cè)板處于開(kāi)放狀態(tài)，增大了機(jī)箱內(nèi)外空氣對(duì)流換熱面積，提高了散熱效果。實(shí)際仿真過(guò)程中，為了盡可能模擬實(shí)際散熱狀況，將機(jī)箱進(jìn)行封閉，只留進(jìn)風(fēng)口和出風(fēng)口，機(jī)箱內(nèi)外只能通過(guò)這兩個(gè)通道對(duì)流換熱。另外實(shí)際測(cè)量的環(huán)境溫度最低為15.8 ℃左右，低于仿真使用的20 ℃環(huán)境溫度，低溫促進(jìn)了空氣對(duì)流換熱。所以實(shí)際測(cè)量的溫度數(shù)值低于仿真的溫度數(shù)值。

仿真結(jié)果中3個(gè)主要熱源均在芯片上，3個(gè)芯片上的溫度分布如圖6所示。CPU的芯片溫度為35.82 ℃，北橋芯片溫度為42.30 ℃，溫度最高的是主板芯片，最高溫度達(dá)到69.65 ℃。

雖然CPU以及北橋芯片的發(fā)熱功率均大于主板芯片，但由于有散熱器的存在，使得CPU在擁有65 W的發(fā)熱功率下只有35.82 ℃的表面溫度，而沒(méi)有散熱器的主板芯片，只有8 W的發(fā)熱功率卻有高達(dá)69.65 ℃的表面溫度，說(shuō)明散熱器對(duì)芯片的散熱具有重要意義。

為了更進(jìn)一步觀察兩個(gè)散熱器的散熱效果，圖7展示了流經(jīng)兩散熱器側(cè)面的空氣溫度和速度變化圖。由圖7a）可以看出，由于流速較大，流經(jīng)CPU散熱器的低溫空氣被加熱到30 ℃左右。流經(jīng)北橋芯片散熱器的低溫空氣較少且流速較慢，所以流經(jīng)北橋芯片散熱器的低溫空氣部分被加熱到39 ℃左右。在圖7b）中，由于CPU散熱器較北橋芯片散熱器與空氣接觸面積較大，大部分低溫空氣以1 m/s左右的速度流經(jīng)CPU散熱器，只有小部分低溫空氣以0.2 m/s的速度流經(jīng)北橋芯片散熱器。空氣以1 m/s左右的速度進(jìn)入北橋芯片散熱器翅片間隙，以0.52 m/s左右的速度流出，散熱器對(duì)空氣的減速效果明顯。

20 ℃的低溫空氣從進(jìn)風(fēng)口進(jìn)入機(jī)箱，經(jīng)過(guò)兩散熱器時(shí)被加熱，溫度升高10～20 ℃，實(shí)現(xiàn)散熱器熱量的轉(zhuǎn)移，降低散熱器溫度，從而有效地實(shí)現(xiàn)芯片溫度的降低。

散熱器對(duì)芯片的散熱來(lái)說(shuō)具有重要意義。在散熱器的作用下，CPU以及北橋芯片在較高的發(fā)熱功率下仍能以低于主板芯片的溫度運(yùn)行。但由于沒(méi)有散熱器進(jìn)行輔助散熱，主板芯片雖然功率較低，卻始終以高于其他兩個(gè)芯片的溫度運(yùn)行，限制了主板芯片計(jì)算性能的發(fā)揮。

2.3 優(yōu)化設(shè)計(jì)及結(jié)果

主板芯片較差的散熱性能制約了該芯片的運(yùn)算能力，影響了整機(jī)的性能表現(xiàn)。為了提高該計(jì)算機(jī)的整體性能，為主板芯片增加散熱器，提高整體的散熱性能。

增加的散熱器類(lèi)型為與CPU散熱器類(lèi)似的鋁材質(zhì)的散熱器，如圖8所示。該散熱器規(guī)格為30 mm×30 mm×40 mm，翅片寬度為2 mm，翅片間距為2 mm。

增加主板芯片散熱器后重新對(duì)模型進(jìn)行計(jì)算，整體溫度分布如圖9所示。從圖中可以看出，最高溫度仍處于主板芯片部位，但最高溫度已經(jīng)由69.65 ℃下降到45.2 ℃。相比優(yōu)化前，溫度下降了35.1%，散熱降溫效果明顯，說(shuō)明為主板芯片增加散熱器是可行且有效的。

流經(jīng)主板芯片散熱器的空氣溫度如圖10所示。從入風(fēng)口流入的低溫空氣流經(jīng)散熱器翅片間隙，20 ℃左右的冷空氣被加熱到37～44 ℃，同時(shí)帶走散熱器熱量，降低散熱器溫度，進(jìn)而降低主板芯片溫度。

3 ?結(jié) ?論

本文針對(duì)計(jì)算機(jī)機(jī)箱內(nèi)部溫度分布和散熱問(wèn)題，通過(guò)實(shí)際測(cè)量采集與數(shù)值仿真計(jì)算兩種方法獲取數(shù)據(jù)，進(jìn)行對(duì)比分析。研究機(jī)箱內(nèi)部強(qiáng)迫風(fēng)冷過(guò)程及散熱機(jī)理，并運(yùn)用有限元方法，對(duì)散熱結(jié)構(gòu)進(jìn)行一定的優(yōu)化。主要得出以下結(jié)論：

1） 實(shí)際測(cè)量中，通電啟動(dòng)后機(jī)箱內(nèi)溫度上升速度較快，最快可以達(dá)到1 ℃/s。通電后高溫區(qū)域主要集中在主板上CPU周?chē)?，在高速運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)下最高溫度能達(dá)到65 ℃，但機(jī)箱內(nèi)95%的區(qū)域溫度仍處于低溫水平。

2） 模擬分析中，翅片式鋁質(zhì)散熱器對(duì)芯片的散熱效果顯著，流經(jīng)散熱器翅片的空氣溫度升高10～19 ℃，帶走散熱翅片熱量，使芯片溫度保持在合理范圍內(nèi)。

3） 根據(jù)仿真計(jì)算結(jié)果對(duì)計(jì)算機(jī)主板進(jìn)行優(yōu)化，為主板芯片添加散熱片。在相同發(fā)熱功率下，主板芯片最高溫度從69.65 ℃下降到45.2 ℃，溫度下降了35.1%，優(yōu)化效果明顯。

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