電腦機箱溫度的檢測及散熱優化

陳杰 張軍 劉思瑩

關鍵詞： 電腦機箱; 散熱優化; 溫度檢測; 有限元模型; 散熱器; 主板芯片

中圖分類號： TN911.23?34 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼： A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號： 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

臺式計算機在運算過程中由于芯片的高速運轉，產生較大熱量。機箱內部的產熱與散熱對計算機性能影響顯著，為了使計算機處于高性能運轉狀態，針對計算機工作狀態中機箱溫度變化情況的監測、分析以及優化就十分有必要。

機箱溫度測量以及散熱結構優化的研究有很多，席傳鵬等通過多通道測試儀對散熱優化后主要零部件的溫度進行了測量[1]。潘美娜采用熱電偶和數據采集模塊測量機箱內主要器件的溫度變化情況[2]。文獻[3?4]使用紅外測量儀測量了PCB板上不同位置處的實驗電阻溫度，分析了不同位置處的散熱系數的分布規律。文獻[3，5?6]等通過機箱箱體結構優化，合理組織氣流，提高散熱效率。文獻[1，7?8]等通過增加風道、環路散熱系統、均溫板和散熱片提高系統的散熱效率。文獻[4，9?10]研究了風冷、散熱翅片等結構的散熱原理，并基于原理進行優化。本文使用熱紅外成像儀測量機箱內部溫度，以測量結果驗證仿真計算的合理性，并通過有限元分析對機箱的散熱結構進行優化設計，提高機箱風冷散熱性能。

1 ?測量過程及結果分析

測量對象為某型號臺式計算機，機箱內部主要結構分布如圖1所示，主要包括光驅、硬盤盒、主板和電源等關鍵部件，散熱方式為單風扇強迫風冷散熱。使用某品牌MAG32型號紅外成像儀進行溫度測量，該成像儀可測溫度范圍為-20～600 ℃，誤差在0.1 ℃，符合測量要求。

記錄開機過程每個階段機箱內溫度分布情況。圖2綜合了整個啟動過程溫度變化數據，在280 s的觀測時間內計算機最高溫度從21.9 ℃上升到55.3 ℃，溫升較為明顯。機箱內平均溫度和最低溫度趨勢基本保持一致，上升趨勢較最高溫度曲線平緩。

取整個測量過程的3個時間節點溫度分布如圖3所示。通過對比可以發現，3個時間節點中的溫差越來越大，0 s時溫度分布較為均勻，在17～22 ℃范圍內，整體溫差較小;130 s時溫差開始明顯擴大，最高溫度達到41.3 ℃，主要集中在主板芯片區;在280 s時最高溫度達到55 ℃，溫差最大為39.2 ℃，主板區與非核心工作區溫度對比明顯。

2 ?仿真分析

2.1 ?模型建立

對機箱結構進行簡化處理，簡化為光驅、散熱風筒、硬盤盒、電源、主板、CPU、北橋芯片、主板芯片、CPU散熱器、北橋散熱器以及機箱等部分，如圖4所示，在簡化的基礎上建立幾何模型。

定義機箱中CPU芯片、北橋芯片、主板芯片、電源、硬盤、光驅為熱源。環境溫度和默認固體溫度均定義為20 ℃。各個關鍵零部件的材料及熱邊界條件設置如表1所示。

定義流體為空氣，流體的初始溫度定義為環境溫度20 ℃?？諝馊肟谂c空氣出口的壓力差設置為5 Pa。忽略熱輻射的影響，假設模擬過程中的各個材料的性質不隨溫度的改變而改變。以內部分析作為分析類型，分析過程中忽略不具備流動條件的空腔。

2.2 計算及結果分析

仿真結果溫度分布如圖5所示。仿真與實際測量時，最高溫度區域均位于主板芯片周圍，分別為69.76 ℃和55 ℃。同時有相似的溫度集中區，均分布在北橋芯片和主板芯片周圍，集中區的溫度分別在45 ℃左右和40 ℃左右。通過對比分析可知，仿真結果具有一定的參考性。

兩者溫度梯度有一定差別，主要原因是實際測量過程中機箱側板處于開放狀態，增大了機箱內外空氣對流換熱面積，提高了散熱效果。實際仿真過程中，為了盡可能模擬實際散熱狀況，將機箱進行封閉，只留進風口和出風口，機箱內外只能通過這兩個通道對流換熱。另外實際測量的環境溫度最低為15.8 ℃左右，低于仿真使用的20 ℃環境溫度，低溫促進了空氣對流換熱。所以實際測量的溫度數值低于仿真的溫度數值。

仿真結果中3個主要熱源均在芯片上，3個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，最高溫度達到69.65 ℃。

雖然CPU以及北橋芯片的發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的發熱功率下只有35.82 ℃的表面溫度，而沒有散熱器的主板芯片，只有8 W的發熱功率卻有高達69.65 ℃的表面溫度，說明散熱器對芯片的散熱具有重要意義。

為了更進一步觀察兩個散熱器的散熱效果，圖7展示了流經兩散熱器側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CPU散熱器的低溫空氣被加熱到30 ℃左右。流經北橋芯片散熱器的低溫空氣較少且流速較慢，所以流經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CPU散熱器，只有小部分低溫空氣以0.2 m/s的速度流經北橋芯片散熱器?？諝庖? m/s左右的速度進入北橋芯片散熱器翅片間隙，以0.52 m/s左右的速度流出，散熱器對空氣的減速效果明顯。

20 ℃的低溫空氣從進風口進入機箱，經過兩散熱器時被加熱，溫度升高10～20 ℃，實現散熱器熱量的轉移，降低散熱器溫度，從而有效地實現芯片溫度的降低。

散熱器對芯片的散熱來說具有重要意義。在散熱器的作用下，CPU以及北橋芯片在較高的發熱功率下仍能以低于主板芯片的溫度運行。但由于沒有散熱器進行輔助散熱，主板芯片雖然功率較低，卻始終以高于其他兩個芯片的溫度運行，限制了主板芯片計算性能的發揮。

2.3 優化設計及結果

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

增加的散熱器類型為與CPU散熱器類似的鋁材質的散熱器，如圖8所示。該散熱器規格為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模型進行計算，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，但最高溫度已經由69.65 ℃下降到45.2 ℃。相比優化前，溫度下降了35.1%，散熱降溫效果明顯，說明為主板芯片增加散熱器是可行且有效的。

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

3 ?結 ?論

本文針對計算機機箱內部溫度分布和散熱問題，通過實際測量采集與數值仿真計算兩種方法獲取數據，進行對比分析。研究機箱內部強迫風冷過程及散熱機理，并運用有限元方法，對散熱結構進行一定的優化。主要得出以下結論：

1） 實際測量中，通電啟動后機箱內溫度上升速度較快，最快可以達到1 ℃/s。通電后高溫區域主要集中在主板上CPU周圍，在高速運轉狀態下最高溫度能達到65 ℃，但機箱內95%的區域溫度仍處于低溫水平。

2） 模擬分析中，翅片式鋁質散熱器對芯片的散熱效果顯著，流經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。

3） 根據仿真計算結果對計算機主板進行優化，為主板芯片添加散熱片。在相同發熱功率下，主板芯片最高溫度從69.65 ℃下降到45.2 ℃，溫度下降了35.1%，優化效果明顯。

參考文獻

[1] 席傳鵬，史洪波.基于Icepak的加固服務器熱設計及優化[J].工業控制計算機，2018，31（4）：36?38.

XI Chuanpeng， SHI Hongbo. Thermal design and optimization of rugged server based on Icepak [J]. Industrial control computer， 2018， 31（4）： 36?38.

[2] 潘美娜.小型通信機箱的熱分析及優化設計[D].上海：上海交通大學，2014.

PAN Meina. Thermal analysis and optimization design of a small communication computer case [D]. Shanghai： Shanghai Jiao Tong University， 2014.

[3] 任恒，劉萬鈞，黃靖，等.基于Icepak的密閉機箱熱設計研究[J].電子科學技術，2015，2（6）：639?644.

REN Heng， LIU Wanjun， HUANG Jing， et al. Thermal analysis of an airtight cabinet based on Icepak [J]. Electronic science & technology， 2015， 2（6）： 639?644.

[4] 侍書成.筆記本散熱器的翅片形狀對散熱的影響[D].蘇州：蘇州大學，2017.

SHI Shucheng. Influence of notebook heat sink′ fin shape on heat dissipation [D]. Suzhou： Soochow University， 2017.

[5] 蘇世明，李偉.電子設備機箱散熱仿真分析[J].光電技術應用，2013，28（3）：64?67.

SU Shiming， LI Wei. Simulation analysis of heat exhaust of electron equipment chassis [J]. Electro?optic technology application， 2013， 28（3）： 64?67.

[6] 黃延平，曹國華，王淑坤.封閉機箱冷卻流場的熱優化設計[J].自動化儀表，2014，35（10）：5?8.

HUANG Yanping， CAO Guohua， WANG Shukun. Thermal optimized design of the cooling flow field for enclosed chassis [J]. Process automation instrumentation， 2014， 35（10）： 5?8.

[7] 黃俊，侍書成，龔驍敏.一種用于高熱功率密閉計算機散熱的環路熱管系統[J].電子機械工程，2017，33（4）：42?47.

HUANG Jun， SHI Shucheng， GONG Xiaomin. A loop heat pipe system for heat dissipation of computers with closed chassis and high thermal power [J]. Electro?mechanical engineering， 2017， 33（4）： 42?47.

[8] 趙蓮晉.雷達電子機箱的熱分析及優化設計[J].內燃機與配件，2017（3）：24?26.

ZHAO Lianjin. Thermal analysis and optimization design of radar electronic chassis [J]. Internal combustion engine & parts， 2017（3）： 24?26.

[9] 王秋曉，付曉艷，譚健，等.電子機箱強迫風冷時PCB板局部表面傳熱系數的研究[J].工程科學與技術，2018，50（1）：157?163.

WANG Qiuxiao， FU Xiaoyan， TAN Jian， et al. Study of local surface heat transfer coefficient of PCB board in electronic chassis under forced air?cooling [J]. Advanced engineering sciences， 2018， 50（1）： 157?163.

[10] 袁志燕，鐘建華.電腦散熱片換熱過程數值模擬分析[J].上海有色金屬，2015，36（1）：29?33.

YUAN Zhiyan， ZHONG Jianhua. The simulation analysis of heat transfer for computer heat sinks [J]. Shanghai nonferrous metals， 2015， 36（1）： 29?33.