2024年5月30日发(作者：蒯飞雪)
电脑机箱温度的检测及散热优化
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。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。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。
2024年5月30日发(作者：蒯飞雪)
电脑机箱温度的检测及散热优化
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。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。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。