高光亞，馬永昱

（華北電力大學(xué)，河北 保定 071003）

0 引言

電子設(shè)備（如CPU）散熱技術(shù)的深入研究是當(dāng)今世界一個(gè)重大的問(wèn)題，電子設(shè)備的散熱主要分為風(fēng)冷與水冷兩種方式。風(fēng)冷散熱器基本原理是通過(guò)風(fēng)扇對(duì)散熱片進(jìn)行強(qiáng)制降溫，不過(guò)風(fēng)冷沒(méi)有解決高噪音、暴力散熱的問(wèn)題，并且朝著大體積、多熱管、還有超重量的方向發(fā)展，這給散熱器在實(shí)際應(yīng)用和安裝方面帶來(lái)了很大不便，同時(shí)也造成了電子設(shè)備承受重量過(guò)大的問(wèn)題，因此水冷散熱越來(lái)越得到人們的青睞。水冷散熱又叫液冷散熱，水冷散熱散熱效率很高，此外液體的比熱容和密度要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于氣體的，因此散熱器在電子設(shè)備上的安裝密度也同樣得到了加大，這樣可以使的系統(tǒng)的總結(jié)構(gòu)有著更高的緊湊度和集成度。完整的水冷系統(tǒng)通常由散熱器、冷卻液、泵、管道和水箱這幾個(gè)部分組成。水冷散熱器可以分為主動(dòng)式水冷和被動(dòng)式水冷兩大類。主動(dòng)式水冷除了在具備水冷散熱器全部配件外，另外還需要安裝散熱風(fēng)扇來(lái)輔助散熱，這樣能夠使散熱效果得到不小的提升，這一水冷方式適合發(fā)燒DIY超頻玩家使用。被動(dòng)式水冷則不安裝任何散熱風(fēng)扇，只靠水冷散熱器本身來(lái)進(jìn)行散熱，最多是增加一些散熱片來(lái)輔助散熱，該水冷方式比主動(dòng)式水冷效果差一些，但可以做到完全靜音效果，適合主流DIY超頻用戶采用。[1]水冷散熱系統(tǒng)的原理是在液體循環(huán)裝置中，冷卻液循環(huán)流動(dòng)，電子設(shè)備運(yùn)行時(shí)發(fā)出的熱量被傳遞到散熱器中，通過(guò)冷卻液和散熱器壁面間的對(duì)流換熱過(guò)程及時(shí)把熱量帶走。本文主要談?wù)撏ㄟ^(guò)采用記憶合金以及對(duì)散熱風(fēng)扇的肋片化處理兩方面改良CPU的水冷散熱效率。

1 記憶合金的形狀記憶能力與應(yīng)力變化

形狀記憶合金之所以具有變形恢復(fù)能力，是因?yàn)樽冃芜^(guò)程中材料內(nèi)部發(fā)生的熱彈性馬氏體相變。形狀記憶合金中具有兩種相：高溫相奧氏體相，低溫相馬氏體相。根據(jù)不同的熱力載荷條件，形狀記憶合金呈現(xiàn)出兩種性能。其中一種是形狀記憶效應(yīng)，包括單程記憶效應(yīng)、雙程記憶效應(yīng)、全程記憶效應(yīng)。單程記憶效應(yīng)。形狀記憶合金在較低的溫度下變形，加熱后可恢復(fù)變形前的形狀，這種只在加熱過(guò)程中存在的形狀記憶現(xiàn)象稱為單程記憶效應(yīng)。雙程記憶效應(yīng)。某些合金加熱時(shí)恢復(fù)高溫相形狀，冷卻時(shí)又能恢復(fù)低溫相形狀，稱為雙程記憶效應(yīng)。全程記憶效應(yīng)。加熱時(shí)恢復(fù)高溫相形狀，冷卻時(shí)變?yōu)樾螤钕嗤∠蛳喾吹牡蜏叵嘈螤?，稱為全程記憶效應(yīng)。形狀記憶合金的形狀記憶效應(yīng)源于熱彈性馬氏體相變，這種馬氏體一旦形成，就會(huì)隨著溫度下降而繼續(xù)生長(zhǎng)，如果溫度上升它又會(huì)減少，以完全相反的過(guò)程消失。兩項(xiàng)自由能之差作為相變驅(qū)動(dòng)力。兩項(xiàng)自由能相等的溫度To稱為平衡溫度。只有當(dāng)溫度低于平衡溫度To時(shí)才會(huì)產(chǎn)生馬氏體相變，反之，只有當(dāng)溫度高于平衡溫度To時(shí)才會(huì)發(fā)生逆相變。在形狀記憶合金中，馬氏體相變不僅由溫度引起，也可以由應(yīng)力引起，這種由應(yīng)力引起的馬氏體相變叫做應(yīng)力誘發(fā)馬氏體相變，且相變溫度同應(yīng)力呈線性關(guān)系。[2]

2 記憶合金熱機(jī)與散熱風(fēng)扇肋片化

電子設(shè)備的散熱主要分為風(fēng)冷與水冷兩種方式。由于風(fēng)冷具有一系列的限制和問(wèn)題，因此水冷散熱越來(lái)越得到人們的青睞。水冷散熱也稱液冷散熱，水冷散熱的散熱效率一般是是傳統(tǒng)風(fēng)冷散熱的20倍以上，它的散熱效率很高。同時(shí)，水冷散熱還有一個(gè)優(yōu)勢(shì)，那就是運(yùn)行時(shí)做到了靜音。[3]一個(gè)完整的水冷系統(tǒng)通常由散熱器、冷卻液、泵、管道和水箱這幾個(gè)部分組成。水冷散熱系統(tǒng)的原理十分簡(jiǎn)單：就是在一個(gè)密閉的液體循環(huán)裝置中，冷卻液通過(guò)利用泵提供的壓力在密閉裝置中循環(huán)流動(dòng)，在此期間電子設(shè)備運(yùn)行時(shí)發(fā)出的熱量被傳遞到散熱器中，最終通過(guò)冷卻液和散熱器壁面間的對(duì)流換熱過(guò)程及時(shí)把熱量帶走，隨后液體會(huì)回到吸熱裝置，整個(gè)散熱過(guò)程就是這些步驟的不斷循環(huán)。傳統(tǒng)水冷系統(tǒng)的水泵采用的是電動(dòng)驅(qū)動(dòng)，會(huì)消耗一定的能量，不能達(dá)到節(jié)能的目的；若采用馬達(dá)式電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，電動(dòng)機(jī)工作功率一定，不能實(shí)現(xiàn)隨散熱需要而調(diào)整功率大小，造成功率的浪費(fèi)；而且電器斷電后，水泵即停止工作，使電器內(nèi)部的余熱不能被散盡，損耗電器的壽命?？梢钥闯觯瑐鹘y(tǒng)水冷裝置有許多非環(huán)保的因素。

為了解決以上問(wèn)題，合金在發(fā)生形狀記憶效應(yīng)時(shí)會(huì)產(chǎn)生很大的力，因此有可能利用形狀記憶效應(yīng)把熱能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械能。用形狀記憶合金制作熱機(jī)，因?yàn)槿∠似缀突钊葌鹘y(tǒng)熱機(jī)的機(jī)構(gòu),故有利于熱機(jī)的小型化和輕量化。利用形狀記憶合金在加熱和冷卻時(shí)的變形應(yīng)力，能夠把低級(jí)熱源轉(zhuǎn)換為機(jī)械能而加以利用。當(dāng)發(fā)熱元件斷電后，水泵裝置在余熱的驅(qū)動(dòng)下仍可繼續(xù)工作，驅(qū)散元件內(nèi)部的余熱，利于延長(zhǎng)電器壽命。以上特點(diǎn)都增強(qiáng)了水冷散熱器的性能，有利于環(huán)保型社會(huì)的建設(shè)，符合可持續(xù)發(fā)展理念。同時(shí)可以將散熱裝置改成了旋轉(zhuǎn)的肋片式的風(fēng)扇，起到散熱的效果的同時(shí)還能起到維持溫差驅(qū)動(dòng)記憶合金熱機(jī)的作用；并且，可以利用記憶合金的復(fù)原特性，用記憶合金差動(dòng)滑輪透平發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的水泵去代替?zhèn)鹘y(tǒng)水冷系統(tǒng)中的電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)水泵，以達(dá)到節(jié)能目的。

記憶合金驅(qū)動(dòng)的水冷散熱器的基本原理是利用記憶合金的形狀恢復(fù)特性，用記憶合金熱機(jī)驅(qū)動(dòng)的風(fēng)扇代替?zhèn)鹘y(tǒng)電機(jī)散熱風(fēng)扇，達(dá)到節(jié)能的目的，并改進(jìn)了散熱風(fēng)扇，達(dá)到了更好的效果。由記憶合金特性，這種新型的水冷散熱器可以隨內(nèi)部溫度變化調(diào)節(jié)功率大小。當(dāng)發(fā)熱元件斷電后，風(fēng)扇裝置在余熱的驅(qū)動(dòng)下仍可繼續(xù)工作，驅(qū)散元件內(nèi)部的余熱，利于延長(zhǎng)電器壽命。

圖1 水冷散熱器原理圖Fig. 1 Schematic diagram of water-cooled radiator

記憶合金差動(dòng)滑輪透平發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)及原理是滑輪引導(dǎo)鎳鈦螺旋線圈通過(guò)冷水槽和熱水槽，螺旋線圈懸掛在差動(dòng)滑輪上，一個(gè)滑輪起伸張作用，另一個(gè)起壓縮作用。由于熱線圈上的張力大于冷卻線圈上的張力，所以擴(kuò)張線圈所完成的功要超過(guò)壓縮線圈上所作之功，結(jié)果導(dǎo)致凈功輸出[4-5]。透平發(fā)動(dòng)機(jī)有許多特點(diǎn)：不需要十分精確的機(jī)械加工；承受徑向負(fù)荷能力強(qiáng)；由于只有少量的工作物需要熱循環(huán)，因此寄生熱容量損失很少，有可能提高單位質(zhì)量功率和循環(huán)速度。因此，它是一種可利用廢熱驅(qū)動(dòng)的環(huán)保發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)備[6-7]。

旋轉(zhuǎn)肋片式的風(fēng)扇原理是通過(guò)將肋片-風(fēng)扇一體化，既減少了占用的空間，又通過(guò)最優(yōu)的葉形設(shè)計(jì)有效削弱了熱邊界層，將風(fēng)扇與肋片結(jié)合，極大的減小了傳熱過(guò)程的總熱阻，達(dá)到強(qiáng)化散熱的目的。

3 水冷工作效率的Matlab仿真

模型假設(shè)：

（1）工作每分鐘產(chǎn)生的熱量隨機(jī)生成；

（2）冷源溫度保持恒定不變；

（3）記憶合金水泵的功率與CPU溫度呈正比關(guān)系；

（4）溫度是連續(xù)變化的。

模型建立：設(shè)每分鐘產(chǎn)熱Q(t),熱源溫度T(t),水泵功率直接影響水冷液流速，故用水冷液流速代表水泵功率記為V(t)，冷源溫度恒定為室溫25℃；由記憶合金水泵性質(zhì)，V(t)=f(T(t)-25)。由熱力學(xué)性質(zhì)得到數(shù)學(xué)模型如下：

每分鐘初始溫度變化：

T(t+1)=T(t)+Q(t)/2300；

v=k(T(t+1)-25)；

m=0.314v；

記憶合金水泵作用后溫度變化：

T(t+1)=(2300T(t+1)+10500m)/(2300+4200m)（其中系數(shù)為單位換算變量）

進(jìn)行了多次隨機(jī)測(cè)試，CPU溫度變化圖像為波動(dòng)圖像，下面選出其中兩幅圖像。

圖2 Matlab仿真結(jié)果Fig. 2 Matlab simulation results

隨機(jī)模擬中發(fā)熱元件溫度不會(huì)超過(guò)極限溫度，而是在一定范圍內(nèi)波動(dòng)。

4 結(jié)論

眾所周知，高溫是集成電路的大敵。高溫不但會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)運(yùn)行不穩(wěn)，使用壽命縮短，甚至有可能使某些部件燒毀。導(dǎo)致高溫的熱量不是來(lái)自計(jì)算機(jī)外，而是計(jì)算機(jī)內(nèi)部。散熱器的作用就是將這些熱量吸收，保證計(jì)算機(jī)部件的溫度正常。 散熱器的種類非常多，CPU、顯卡、主板芯片組、硬盤、機(jī)箱、電源甚至光驅(qū)和內(nèi)存都會(huì)需要散熱器，這些不同的散熱器是不能混用的，而其中最常接觸的就是CPU的散熱器。CPU在工作的時(shí)候會(huì)產(chǎn)生大量的熱，如果不將這些熱量及時(shí)散發(fā)出去，輕則導(dǎo)致死機(jī)，重則可能將CPU燒毀，CPU散熱器就是用來(lái)為CPU散熱的。由于在散熱效率和靜音等方面有著的種種優(yōu)勢(shì)，在計(jì)算機(jī)風(fēng)冷散熱流行不久后，液冷散熱也隨之出現(xiàn)。時(shí)至今日，計(jì)算機(jī)領(lǐng)域的液冷散熱正在普及開(kāi)來(lái)，這種狀況歸根結(jié)于液冷的安全性和穩(wěn)定性有了很大的進(jìn)步[8-9]。本文針對(duì)傳統(tǒng)水冷散熱器的缺點(diǎn)，在通過(guò)熱力學(xué)分析之后，采用將記憶合金與水冷散熱裝置結(jié)合起來(lái)，該水冷散熱裝置是在水冷散熱器上增加了記憶合金固體熱機(jī)驅(qū)動(dòng)的風(fēng)扇代替?zhèn)鹘y(tǒng)的電機(jī)風(fēng)扇，充分的利用了記憶合金出色的形狀記憶特性，也可以利用余熱帶動(dòng)風(fēng)扇工作，不需要消耗額外的能量；記憶合金熱機(jī)由于其形狀記憶特性可以隨內(nèi)部溫度變化調(diào)節(jié)功率大小，使水冷散熱器較之于從前更加靈活；而且，改水冷散熱裝置具有斷電之后短暫工作的特性，當(dāng)發(fā)熱元件斷電后，風(fēng)扇裝置在余熱的驅(qū)動(dòng)下仍可繼續(xù)工作，來(lái)驅(qū)散余熱，這樣有利于延長(zhǎng)電器壽命。記憶合金的疲勞強(qiáng)度比較好可以連續(xù)工作更長(zhǎng)的時(shí)間，因此記憶合金熱機(jī)參與的水冷散熱的發(fā)展前景很大。