合成雙射流激勵器對電腦顯卡的散熱特性研究

呂 晨 曹澤宇 馬 瑤 羅振兵

（酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心，甘肅 蘭州 732750）

1 概述

電子產品的散熱問題一直是影響其正常工作的重要問題[1-3]，電子產品的幾種主要散熱方式中，又以風扇散熱最為普遍，性價比最高，且安全性好，但隨著電子產品精密度提高，風扇所表現出來的散熱能力卻沒有辦法滿足其發(fā)展，除了大功率散熱時噪音過大，長時間工作風扇葉片表面由于靜電還會吸附大量灰塵，給電子儀器造成安全隱患[4]。因而，亟需一種新型的散熱性能更好的產品來替代風扇進行散熱。

合成射流作為一種新型主動流動控制技術[5]，以其周期性的渦結構強化對流換熱，在微電子器件散熱方面具有巨大應用潛力，受到了很多學者的關注。

美國GE 公司與節(jié)能照明LED 冷卻技術開發(fā)商Nuventix 共同開發(fā)一種針對不同型號LED 燈的合成射流冷卻裝置[6]，其具有高換熱系數、噪聲小、結構靈活、可靠性高以及能耗低等優(yōu)點，被認為是解決LED 散熱問題的重大機遇，目前采用該合成射流冷卻裝置的LED 燈已投放市場。

為解決壓電式合成射流激勵器對環(huán)境不夠“強壯”、能量效率較低的問題，國防科技大學羅振兵等人[7-8]在合成射流激勵器的基礎上，發(fā)明了合成雙射流激勵器。圖1 為合成射流及合成雙射流激勵器工作原理示意圖。

圖1 合成射流/雙射流激勵器工作原理示意圖[7，13]

合成雙射流激勵器由兩個腔體共享一個振動膜，能有效提高其能量利用效率和避免振動膜壓載失效，且結構簡單易于集成化；工作過程中激勵器兩腔體總體積變化量始終為零，能真正意義上地實現“零質量射流”[10]。鄧雄等[11]開展了基于合成雙射流激勵器聯合翅片對大功率LED 陣列的散熱實驗研究，實驗結果表明：相對于商用翅片，合成雙射流散熱裝置散熱效果更好，穩(wěn)定溫度下降了15℃。另外，在合成雙射流激勵器的基礎上，馬瑤等人[12]設計了單膜雙腔多孔合成雙射流激勵器，其不僅具有合成雙射流激勵器能量效率高的優(yōu)點，還具有較大的散熱面積，適合應用于電子元器件的散熱。本文開展了多孔合成雙射流激勵器聯合小型翅片熱沉對電腦顯卡芯片的散熱實驗研究。

2 實驗研究

2.1 實驗設備

2.1.1 多孔合成雙射流激勵器

實驗中多孔合成雙射流激勵器結構示意圖如圖2 所示。其中，內腔直徑D1=46mm，外腔直徑D2=68mm，腔體高度H1=7mm，H2=14mm，激勵器整體高度為H=16mm，；腔體頂部孔板厚度為4mm，在孔板上開有射流孔，分別對應內外腔，內外側射流出口直徑分別為d1=5.5mm，d2=4mm；內腔底部由振動膜將內外腔分開，激勵器核心部件振動膜采用壓電陶瓷粘接在銅片薄膜上，銅片薄膜直徑DCu=50mm，壓電陶瓷直徑DPZT=32mm。

圖2 多孔合成雙射流激勵器結構示意圖

多孔合成雙射流激勵器的驅動系統主要由信號發(fā)生器、壓電陶瓷驅動電源組成。信號發(fā)生器產生波形、幅值及頻率可調的電壓信號，經過壓電陶瓷驅動電源放大后加載于壓電片上，壓電片在交變電場的作用下產生彎曲變形，使得振動膜上下振動來壓縮和膨脹腔體[13-14]。

2.1.2 散熱實驗系統

實驗選取一臺普通臺式電腦對其顯卡芯片進行散熱，其顯卡為英特爾Haswell Ⅰntegrated Graphics Controller (1 GB/ 華碩)。

實驗中，采用不同方法對顯卡芯片進行散熱，為滿足單一變量原則，使電腦處于相同的運行情況（即運行相同軟件和計算算例，CPU 占用率均為80%左右），分別用電腦上的溫度檢測軟件和熱電偶采集實驗中的溫度信息。

熱電偶測溫系統由熱電阻、溫度變送器、數據采集卡、工作電腦組成。熱電偶型號為WRE-013，規(guī)格φ3×100/1000mm。

2.2 實驗方法

實驗散熱結構分為系統自帶散熱結構（風扇和自帶翅片）以及多孔合成雙射流激勵器（多孔DSJA）與設計小型翅片組合結構。為進一步研究不同控制參數對多孔DSJA 散熱效果的影響規(guī)律，開展了多孔DSJA 的散熱特性實驗。實驗工況表如表1 所示。實驗選取的控制參數分別為：驅動頻率（f）、驅動電壓（Vpp）、沖擊距離（L，激勵器射流出口到翅片頂端的距離），實驗以標準工況為基準，采用單一變量原則，分組開展實驗。標準工況的控制參數為：f=600Hz，Vpp=±200V，L=50mm。

表1 多孔DSJA 散熱特性實驗工況表

2.3 實驗結果及分析

2.3.1 多孔合成雙射流激勵器與風扇的散熱對比

實驗電腦在相同的工作條件下，對顯卡芯片分別采用不同散熱方式：風扇+自帶翅片和多孔DSJA+小型翅片。其中，自帶翅片及設計小型翅片的實物對比如圖3 所示，可以看出，設計小型翅片的體積遠小于原翅片。

圖3 自帶翅片、設計小型翅片

圖4 對比了兩種散熱方式下，顯卡芯片穩(wěn)定溫度、散熱結構安裝體積和功耗進。圖示顯示：兩種散熱方式下，顯卡芯片溫度均穩(wěn)定在38℃左右，散熱效果相同；多孔DSJA+小型翅片的散熱方式比風扇+自帶翅片，體積下降45.6%，功耗降低37.5%，表明多孔DSJA 散熱能大幅減小散熱裝置體積、節(jié)省安裝空間，而且功耗更低。

圖4 風扇與多孔DSJA 散熱性能對比

2.3.2 多孔合成雙射流激勵器散熱特性

合成雙射流激勵器的散熱機理是出口處產生周期性的湍流射流，其渦結構不斷卷吸周圍環(huán)境中的氣體，發(fā)展到下游形成一股穩(wěn)定射流，強化對流換熱。其驅動頻率、驅動電壓是影響激勵器出口速度及射流強度的主要因素，而沖擊距離決定了散熱區(qū)域在流場中的位置。

多孔DSJA 散熱裝置的散熱特性實驗深入分析了激勵器驅動頻率、驅動電壓及沖擊距離對散熱效果的影響。

（1）驅動頻率對散熱特性的影響。圖5 為不同驅動頻率下的多孔DSJA 散熱效果對比圖，由圖可知，不同驅動頻率工作下的激勵器的溫度變化趨勢大體一致；激勵器開啟后溫度急劇下降，然后，溫度均趨向于穩(wěn)定在某個值。圖中曲線的溫度峰值點對應激勵器開啟的時刻，實驗工況對應表1 中Case1 ～Case4。

圖5 驅動頻率對散熱效果的影響

根據實驗結果我們可以看到，當激勵器驅動頻率增大時，在激勵器穩(wěn)定工作一段時間后，顯卡穩(wěn)定溫度值呈下降趨勢，即對其散熱效果增強。從原理上進行分析：驅動頻率的變化會引起激勵器出口射流速度的變化，在激勵器的一個固定周期內，當驅動頻率增加時，出口射流峰值速度會隨之變大，進而導致出口一定范圍內熱量以更快速度向低溫區(qū)轉移，達到更好的散熱效果。結合流場的實驗研究[9-14，15]發(fā)現，在壓電陶瓷片諧振頻率附近，出口射流速度達到峰值，在本實驗中，激勵器的諧振頻率為600Hz。因此我們能夠推導，當驅動頻率達到壓電陶瓷片諧振頻率時，激勵器對顯卡的散熱效果最佳，此結論與實驗結果一致。

（2）驅動電壓對散熱特性的影響。圖6 為不同驅動電壓下的多孔DSJA 散熱效果對比圖，實驗工況對應表1 中Case4 ～Case6。結果表明，在驅動電壓從±150V 變化到±180V 時，顯卡穩(wěn)定溫度變化并不明顯，但當驅動電壓繼續(xù)增至±200V 時，顯卡溫度有了相對明顯的下降，這種現象可能是由于散熱翅片位于合成射流不同流場區(qū)域引起的；當驅動電壓為±150V 和±180V 時，激勵器射流沖程較小，散熱翅片都在合成射流沖程之外的耗散區(qū)內，該區(qū)域合成射流渦對耗散在環(huán)境中，其渦量變得很小，射流速度也很小，其對翅片的散熱較低，兩電壓下合成射流耗散流場相近，因此散熱效果相近，顯卡溫度相近；當驅動電壓增至±200V 時，合成射流沖程增大，散熱翅片在合成射流發(fā)展區(qū)內，該區(qū)域射流剪切作用明顯，射流渦對強度大，散熱效果十分明顯，顯卡溫度有明顯下降。可見射流沖擊距離對散熱性能的影響明顯。

圖6 驅動電壓對散熱效果的影響

（3）沖擊距離對散熱特性的影響。散熱效果隨沖擊距離增大的變化如圖7 所示，實驗工況對應表2 中Case4、Case7～Case9。在L=50mm 時顯卡出現最低穩(wěn)定溫度，反映出散熱效果不隨沖擊距離增大而變好，而是存在最佳沖擊距離使得散熱效果最好。

圖7 沖擊距離對散熱效果的影響

從合成射流流場特性[10，16]來看，激勵器產生的射流分為形成發(fā)展和耗散階段，在形成發(fā)展階段，射流由激勵器內部加速吹出發(fā)生剪切作用，在激勵器出口處形成不斷向下游發(fā)展的渦對，并對周圍環(huán)境流場中氣體產生卷吸效應，發(fā)展成為傳播速度更快、強度更大、影響區(qū)域更廣的渦對，使得一定范圍內環(huán)境溫度邊界層厚度降低，并且距離激勵器射流出口越遠，這種效應會越明顯，進而使得激勵器散熱效果隨著射流沖擊距離的增大而變好；而射流不會無限制發(fā)展，在一段距離后會進入耗散階段，此時渦對向下游傳播的速度會變慢，渦量也變得越來越小，從而對一定范圍內溫度邊界層的影響能力變弱，故存在一個最佳沖擊距離使得激勵器射流對顯卡的散熱效果最佳。

3 結論

本文開展了用多孔合成雙射流激勵器取代風扇對電腦顯卡散熱的實驗研究，對比了多孔合成雙射流激勵器與風扇的散熱能力，并進一步研究了多孔合成雙射流激勵器的散熱熱性，實驗結果表明：

3.1 多孔合成雙射流激勵器對電腦顯卡具有顯著的散熱效果，且相對于風扇及原翅片散熱，在相同的散熱效果下，多孔合成雙射流激勵器聯合小翅片的散熱方式分別能將安裝尺寸及功耗減小了45.6%、37.5%。

3.2 當激勵器驅動頻率在諧振頻率時，換熱效果較好；在有效沖擊距離內，驅動電壓越大，換熱效果越好，但激勵器功耗也隨之增大；存在一個最佳沖擊距離使激勵器換熱效果最佳；因此若使用多孔合成雙射流激勵器對電子器件進行散熱應綜合考慮其驅動電壓、頻率及安裝距離（沖擊距離）。

3.3 合成雙射流激勵器對電腦顯卡等電子器件的散熱優(yōu)勢明顯，且成本低廉，在未來必將得到廣泛應用。