CPU散热器冷却技术的研究动态.doc

CPU散热器冷却技术的研究动态 摘要: 随着计算机工业的迅猛发展, CU P 的运行速度越来越快, 发热量也越来越高, CPU 散热器发展迅速。为对 CPU 散热器具有更多的认识, 本文阐述了 CPU 的发展历程以及 CPU 散热器的发展背景, 叙述了 CPU 散热器的散热方式、现状和未来发展趋势。 一CPU散热器的应用背景及研究意义 磁性极流体CPU散热冷却方法分类及存在问题 现今我们所了解的散热方式有如下几种：风冷、水冷 （液冷）、半导体制冷、相变制冷（相变系统制冷、干冰+乙醇制冷(固态二氧化碳)和液态氮气制冷(LN2)）。 冷却效率低 ,最多只能排出 CPU 废热的 60 %,因此仅依靠传导和对流的风冷法散热器已经接近了其导热极限; 随着风扇的功率和转速的增大,产生的噪声也随之增大; 由于风扇是运动部件 ,比较容易损坏.它需要较复杂的水冷却系统,并且使用不便,安装麻烦,而且还有漏水和结露的隐患.制冷效率低; 工艺不成熟、价格高; 容易因冷面温度过低而出现的 CPU 结露 ,从而导致短路的现象.因此 ,随着芯片尺寸的不断减小、CPU 频率的升高和散热量的迅速增加 ,需要新型的 CPU 散热器来替代原有的散热技术. 以下主要介绍 3 种新型CPU 散热技术:热管散热技术、微通道散热技术和制冷芯片技术. .1 　 2 热管的基本工作原理2.1 工作原理物体的吸热、放热是相对的，凡是有温度差存在的时候，就必然出现热从高温处向低温处传递的现象。热传递有三种方式：辐射、对流、传导，其中热传导最快。热管就是利用蒸发制冷，使得热管两端温度差很大，使热量快速传导。一般热管由管壳、吸液芯和端盖组成。热管内部被抽成负压状态，充入适当的液体（即工质），这种液体沸点低，容易挥发。管壁有吸液芯，其由毛细多孔材料构成。热管一端为蒸发段（简称热端），另外一端为冷凝段（简称冷端），当热管蒸发段受热时，毛细管中的液体迅速蒸发，蒸气在微小的压力差下流向另外一端，并且释放出热量，重新凝结成液体，液体再沿多孔材料靠毛细力的作用流回蒸发段，如此循环不止，热量由热管一端传至另外一端。这种循环是快速进行的，热量可以被源源不断地传导开来。2.2 组成与工作过程典型的热管由管壳、吸液芯和端盖组成，将管内抽成1.3×(10-1～10-4)pa的负压后充以适量的工作液体（即工质），使紧贴管内壁毛细多孔材料中的吸液芯充满液体后加以密封。管的一端为蒸发段(加热段)，另一端为冷凝段(冷却段)，根据应用需要在两段中间可布置绝热段。当热管的一端受热时毛细芯中的液体蒸发汽化，蒸汽在微小的压差下流向另一端，放出热量凝结成液体，液体再沿多孔材料靠毛细力的作用流回蒸发段。如此循环不己，热量由热管的一端传至另—端。热管在实现这一热量转移的过程中，包含了以下六个相互关联的主要过程：(1)热量从热源通过热管管壁和充满工作液体的吸液芯传递到（液－汽）分界面；(2)液体在蒸发段内的（液－汽）分界面上蒸发；(3)蒸汽腔内的蒸汽从蒸发段流到冷凝段；(4)蒸汽在冷凝段内的（汽－液）分界面上凝结；(5)热量从（汽－液）分界面通过吸液芯、液体和管壁传给冷源；(6)在吸液芯内由于毛细作用使冷凝后的工作液体回流到蒸发段。2.3 工作条件图1表示了热管管内汽-液交界面形状，蒸气质量、流量、压力以及管壁温度tw和管内蒸气温度tv沿管长的变化趋势。沿整个热管长度，汽-液交界处的汽相与液相之间的静压差都与该处的局部毛细压差相平衡。 近年来, 热管技术已在电器设备及电子元器件冷却、半导体元件以及大规模集成电路板的散热方面取得很多应用成果。其中最具发展潜力的有: 小型及微型热管, 回路热管及毛细泵回路热管, 脉动热管等。 常规热管的尺寸范围小至几个厘米长及几个毫米的直径, 大至10 m 长及几个厘米直径。常规热管存在一些传热极限, 如毛细极限、沸腾极限等。毛细泵回路热管及回路热管可以克服常规热管的一些极限[ 17-18] , 类似与常规热管, 回路热管主要依靠毛细作用力来驱动工质在回路中的流动。因而在地面和微重力场应用时, 具有更好的热力性能和稳定性。当前的研究热点是研制小型化的回路热管, 以满足集成电子元器件高散热负荷及高热流密度的需要。各种小型及微型热管已广泛应用于电子冷却[ 19-21] 。如用于手提电脑CPU 冷却的小型热管,多为直径2. 5~ 4 mm 的铜水热管。微型热管没有吸液芯。其横截面通常为三角形、矩形及其它多边形等, 这些形状的截面多有锐角或尖角, 具有毛细作用, 能吸附液体, 并起到液体的天然通道作用。脉动热管是20 世纪90 年代初出现的1 种新型热管技术[ 22-24] 。他是把金属毛细管弯曲成蛇形结构, 内部无需任何毛细吸液芯。具有结构简单, 制造容易, 成