电脑机箱温度的检测及散热优化

陈杰 张军 刘思莹

关键词： 电脑机箱; 散热优化; 温度检测; 有限元模型; 散热器; 主板芯片

中图分类号： TN911.23?34                        文献标识码： A                    文章编号： 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

臺式计算机在运算过程中由于芯片的高速运转，产生较大热量。机箱内部的产热与散热对计算机性能影响显著，为了使计算机处于高性能运转状态，针对计算机工作状态中机箱温度变化情况的监测、分析以及优化就十分有必要。

机箱温度测量以及散热结构优化的研究有很多，席传鹏等通过多通道测试仪对散热优化后主要零部件的温度进行了测量[1]。潘美娜采用热电偶和数据采集模块测量机箱内主要器件的温度变化情况[2]。文献[3?4]使用红外测量仪测量了PCB板上不同位置处的实验电阻温度，分析了不同位置处的散热系数的分布规律。文献[3，5?6]等通过机箱箱体结构优化，合理组织气流，提高散热效率。文献[1，7?8]等通过增加风道、环路散热系统、均温板和散热片提高系统的散热效率。文献[4，9?10]研究了风冷、散热翅片等结构的散热原理，并基于原理进行优化。本文使用热红外成像仪测量机箱内部温度，以测量结果验证仿真计算的合理性，并通过有限元分析对机箱的散热结构进行优化设计，提高机箱风冷散热性能。

1  测量过程及结果分析

测量对象为某型号台式计算机，机箱内部主要结构分布如图1所示，主要包括光驱、硬盘盒、主板和电源等关键部件，散热方式为单风扇强迫风冷散热。使用某品牌MAG32型号红外成像仪进行温度测量，该成像仪可测温度范围为-20～600 ℃，误差在0.1 ℃，符合测量要求。

记录开机过程每个阶段机箱内温度分布情况。图2综合了整个启动过程温度变化数据，在280 s的观测时间内计算机最高温度从21.9 ℃上升到55.3 ℃，温升较为明显。机箱内平均温度和最低温度趋势基本保持一致，上升趋势较最高温度曲线平缓。

取整个测量过程的3个时间节点温度分布如图3所示。通过对比可以发现，3个时间节点中的温差越来越大，0 s时温度分布较为均匀，在17～22 ℃范围内，整体温差较小;130 s时温差开始明显扩大，最高温度达到41.3 ℃，主要集中在主板芯片区;在280 s时最高温度达到55 ℃，温差最大为39.2 ℃，主板区与非核心工作区温度对比明显。

2  仿真分析

2.1  模型建立

对机箱结构进行简化处理，简化为光驱、散热风筒、硬盘盒、电源、主板、CPU、北桥芯片、主板芯片、CPU散热器、北桥散热器以及机箱等部分，如图4所示，在简化的基础上建立几何模型。

定义机箱中CPU芯片、北桥芯片、主板芯片、电源、硬盘、光驱为热源。环境温度和默认固体温度均定义为20 ℃。各个关键零部件的材料及热边界条件设置如表1所示。

定义流体为空气，流体的初始温度定义为环境温度20 ℃。空气入口与空气出口的压力差设置为5 Pa。忽略热辐射的影响，假设模拟过程中的各个材料的性质不随温度的改变而改变。以内部分析作为分析类型，分析过程中忽略不具备流动条件的空腔。

2.2 计算及结果分析

仿真结果温度分布如图5所示。仿真与实际测量时，最高温度区域均位于主板芯片周围，分别为69.76 ℃和55 ℃。同时有相似的温度集中区，均分布在北桥芯片和主板芯片周围，集中区的温度分别在45 ℃左右和40 ℃左右。通过对比分析可知，仿真结果具有一定的参考性。

两者温度梯度有一定差别，主要原因是实际测量过程中机箱侧板处于开放状态，增大了机箱内外空气对流换热面积，提高了散热效果。实际仿真过程中，为了尽可能模拟实际散热状况，将机箱进行封闭，只留进风口和出风口，机箱内外只能通过这两个通道对流换热。另外实际测量的环境温度最低为15.8 ℃左右，低于仿真使用的20 ℃环境温度，低温促进了空气对流换热。所以实际测量的温度数值低于仿真的温度数值。

仿真结果中3个主要热源均在芯片上，3个芯片上的温度分布如图6所示。CPU的芯片温度为35.82 ℃，北桥芯片温度为42.30 ℃，温度最高的是主板芯片，最高温度达到69.65 ℃。

虽然CPU以及北桥芯片的发热功率均大于主板芯片，但由于有散热器的存在，使得CPU在拥有65 W的发热功率下只有35.82 ℃的表面温度，而没有散热器的主板芯片，只有8 W的发热功率却有高达69.65 ℃的表面温度，说明散热器对芯片的散热具有重要意义。

为了更进一步观察两个散热器的散热效果，图7展示了流经两散热器侧面的空气温度和速度变化图。由图7a）可以看出，由于流速较大，流经CPU散热器的低温空气被加热到30 ℃左右。流经北桥芯片散热器的低温空气较少且流速较慢，所以流经北桥芯片散热器的低温空气部分被加热到39 ℃左右。在图7b）中，由于CPU散热器较北桥芯片散热器与空气接触面积较大，大部分低温空气以1 m/s左右的速度流经CPU散热器，只有小部分低温空气以0.2 m/s的速度流经北桥芯片散热器。空气以1 m/s左右的速度进入北桥芯片散热器翅片间隙，以0.52 m/s左右的速度流出，散热器对空气的减速效果明显。

20 ℃的低温空气从进风口进入机箱，经过两散热器时被加热，温度升高10～20 ℃，实现散热器热量的转移，降低散热器温度，从而有效地实现芯片温度的降低。

散热器对芯片的散热来说具有重要意义。在散热器的作用下，CPU以及北桥芯片在较高的发热功率下仍能以低于主板芯片的温度运行。但由于没有散热器进行辅助散热，主板芯片雖然功率较低，却始终以高于其他两个芯片的温度运行，限制了主板芯片计算性能的发挥。

2.3 优化设计及结果

主板芯片较差的散热性能制约了该芯片的运算能力，影响了整机的性能表现。为了提高该计算机的整体性能，为主板芯片增加散热器，提高整体的散热性能。

增加的散热器类型为与CPU散热器类似的铝材质的散热器，如图8所示。该散热器规格为30 mm×30 mm×40 mm，翅片宽度为2 mm，翅片间距为2 mm。

增加主板芯片散热器后重新对模型进行计算，整体温度分布如图9所示。从图中可以看出，最高温度仍处于主板芯片部位，但最高温度已经由69.65 ℃下降到45.2 ℃。相比优化前，温度下降了35.1%，散热降温效果明显，说明为主板芯片增加散热器是可行且有效的。

流经主板芯片散热器的空气温度如图10所示。从入风口流入的低温空气流经散热器翅片间隙，20 ℃左右的冷空气被加热到37～44 ℃，同时带走散热器热量，降低散热器温度，进而降低主板芯片温度。

3  结  论

本文针对计算机机箱内部温度分布和散热问题，通过实际测量采集与数值仿真计算两种方法获取数据，进行对比分析。研究机箱内部强迫风冷过程及散热机理，并运用有限元方法，对散热结构进行一定的优化。主要得出以下结论：

1） 实际测量中，通电启动后机箱内温度上升速度较快，最快可以达到1 ℃/s。通电后高温区域主要集中在主板上CPU周围，在高速运转状态下最高温度能达到65 ℃，但机箱内95%的区域温度仍处于低温水平。

2） 模拟分析中，翅片式铝质散热器对芯片的散热效果显著，流经散热器翅片的空气温度升高10～19 ℃，带走散热翅片热量，使芯片温度保持在合理范围内。

3） 根据仿真计算结果对计算机主板进行优化，为主板芯片添加散热片。在相同发热功率下，主板芯片最高温度从69.65 ℃下降到45.2 ℃，温度下降了35.1%，优化效果明显。

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