新型熱管電子器件散熱器的實驗研究和數值模擬

田金穎,牛建會

(1.天津中德職業技術學院電氣工程系,天津300191;2.河北建筑工程學院城市建設系,張家口075024)

1 引言

現代電子設備正在迅速地向高集成度、高密度組裝、高運行速度方向發展。作為功率電子設備核心的芯片,由于其集成度、封裝密度以及工作時鐘頻率的不斷提高,其單位面積的發熱量迅速增加,工作溫度也不斷升高。研究資料表明,單個半導體元件的溫度每升高10℃,系統可靠性降低50%[1]。由此可見,散熱問題是影響電腦CPU功能可否提升的關鍵因素。

由于平板熱管散熱器具有導熱性高、均溫性強的特點,已經開始應用到CPU電子冷卻中,目前國內已有不少專家學者關注這方面的問題,并發表了許多研究報告。張麗春,馬同澤等對不同管壁材料和槽道結構的三個平板小型熱管進行了實驗研究,研究了工質充液率,冷凝方式等對熱管性能的影響[2]。華中科技大學的程德威,胡幼明,王惠齡[3,4]等用無量綱形式對平板熱管流動與傳熱特性進行了理論分析,主要分析了平板熱管蒸發段,冷凝段的氣相速度,液相速度和壓降分布。但對于像平面熱管等傳熱元件的基礎知識對下一代高性能計算機和超級計算機的應用研究還相對較少。本文就是從實際應用的角度對平板熱管散熱器導熱性能進行實驗研究。在此基礎上,進一步針對平板熱管散熱器底板的導熱特點,分析了改變熱管導熱系數及模擬CPU尺寸對平板熱管散熱器運行性能的影響,以期為該新型結構的散熱器的實際應用奠定基礎。

2 平板熱管散熱器

2.1 結構形式及特點

實驗中使用的平板熱管散熱器采用的是將與散熱器底面積尺寸相同的平板熱管嵌入到普通鋁制散熱器底面的形式。散熱器的外觀如圖1所示。散熱器參數如表1所示。

圖1 平板熱管散熱器

2.2 當量導熱系數

因為熱管內部有吸液芯、循環工質等多種材料,而且熱管是嵌入到散熱器底表面內,對于平板熱管散熱器導熱系數的確定就不能完全使用傅立葉導熱公式進行求解。而且本文不涉及研究熱管內部吸液芯中的復雜沸騰現象,故采用當量導熱系數來估測平板熱管散熱器的性能。其表達式可用下式表示:

表1 實驗用散熱器參數

其中底板熱阻可以表示為:

其中:

Rbase—底板熱阻,K/W;

Tdown—底板下表面平均溫度,K;

Tup—底板上表面平均溫度,K;

Q—加熱量,W

圖2 散熱器外形尺寸

3 實驗研究

3.1 實驗裝置

本文利用高熱流密度電子器件散熱性能實驗臺[5]對平板熱管散熱器進行了散熱性能實驗研究。實驗裝置如圖3所示。加熱系統采用直流硅熱源對模擬芯片的發熱銅柱進行加熱,銅柱內埋入兩對熱電偶T2、T3;為測量模擬CPU的溫度在芯片內埋有熱電偶T1。內由風機提供不同流速的氣流對散熱器進行冷卻。整個散熱過程分為三步:芯片熱量傳遞到散熱板上,通過熱傳導的作用再將熱量傳遞給散熱器,最后通過空氣自然對流將熱量帶走。

主要測試的參數有:CPU實際發熱量;平板熱管散熱器上、下表面溫度;風速;實驗段前后壓差。

圖3 高熱流密度電子器件散熱性能實驗裝置

3.2 實驗結果

根據文中當量導熱系數的定義,首先需要知道散熱器上下底表面的平均溫度情況。實驗中分別在平板熱管散熱器的上、下底表面上埋有數根熱電偶,并取溫度平均值。散熱器工作達到穩態狀態

圖4 兩種散熱器1.5m/s時上下表面溫差隨加熱功率的變化

圖5 兩種散熱器3m/s時上下表面溫差隨加熱功率的變化

由圖4、圖5可知,兩種散熱器在冷卻風速提高一倍的條件下,底板上下表面的溫差隨加熱功率變化的趨勢大致相同:在相同風速條件下,隨著加熱功率的增加,底板上下表面的溫差逐漸升高,鋁時,在風速、加熱功率等參數發生改變的條件下,電子器件散熱器的溫度分布、導熱系數等也隨之發生變化,同時采用普通鋁制散熱器與平板熱管散熱器進行對比。制散熱器的溫差大于平板熱管散熱器,且在高能力區差別更加明顯,例如在風速為1.5m/s、加熱功率為72W時,平板熱管散熱器底表面溫差為5.8℃,鋁質散熱器的溫差為8.6℃;在加熱功率為197W時,平板熱管散熱器底表面溫差為13℃,鋁質散熱器的溫差為20℃。分析其原因為與普通散熱器比較,平板熱管散熱器具有較好的傳熱特性,降低了散熱器底表面的溫度梯度,使底表面溫度更趨均勻。特別是平板熱管散熱器的熱管蒸發端與散熱器底板面積相同,且與熱源直接接觸,故更能體現熱管的傳熱特性。在相同的加熱功率條件下,冷卻風速提高一倍,底板上下表面的溫差降低的幅度并不大。說明冷卻風速,對改變散熱器的散熱性能的幫助并不大。

同時將實驗所測數據代入公式 (1),得到了獲得風速為3m/s時,平板熱管散熱器的當量導熱系數隨模擬芯片加熱功率的變化情況。

圖6 平板熱管散熱器在不同加熱功率情況下對當量導熱系數的影響

由圖中可見,散熱器當量導熱系數隨加熱功率的增加呈線性增高的趨勢。但在160W之后變化幅度逐漸變小,說明平板熱管散熱器的當量導熱系數達到穩定值為1800～1900W/(m2K),是其最優工作狀態點。

4 數值模擬

改變散熱器底板的導熱系數以及改變散熱器與芯片的接觸方式,是改善CPU冷卻散熱器散熱效果的兩條重要途徑[5]。為了在風冷方式下獲得最佳的冷卻效果,利用ICEPAK軟件對平板熱管散熱器底板進行了嘗試性的優化分析。

4.1 建立模型

在建立計算模型時做了如下假定:

(1)假設流動空氣為定常連續不可壓縮流體,在風道內做強制紊流流動,其物性參數為常數。

(2)散熱器放置在非封閉的空間,周圍空間設定為一個大氣壓101325Pa,同時設定環境溫度為20℃。

(3)由于不考慮輻射換熱,風道壁面均按絕熱條件給定。由于本文主要模擬的是散熱器的散熱情況,不考慮散熱器升溫對空氣分布的影響,故翅片的邊界條件也按絕熱邊界條件來處理。風道壁面及翅片表面無滑移產生。

(4)進口流速假定為均勻。風道出口與散熱器間留有足夠長的距離以防止回流現象的產生。完成基本邊界條件設置后,進行網格劃分及后處理求解。由于篇幅的限制,在這里僅對風速條件為3.1m/s情況進行了對比分析。

4.2 模擬結果

(1)改變導熱系數

根據熱管理論計算[6],熱管導熱系數可達30000～50000W/mK,為了能夠對比不同導熱系數熱管散熱器的散熱效果,將優化后的平板熱管散熱器當量導熱系數設定為40000W/mK,其他的參數保持一致,計算后進行處理,并與當量導熱系數為2000W/mK的平板熱管散熱器在加熱功率為197W、冷卻風速為3m/s時的表面溫度場分布進行了比較。

由圖7、圖8可知,平板熱管散熱器優化后的上表面溫度帶幾乎一致,說明提高當量導熱系數能明顯的提高散熱器的均溫性。與低當量導熱系數平板熱管散熱器的溫度分布相比,在散熱器當量導熱系數提高后,平板熱管散熱器的最高溫度低于優化前的最高溫度,而最低溫度高于優化前的最低溫度,優化后的平板熱管散熱器溫度分布更加均勻。

由以上分析可見,提高熱管導熱系數對整個熱管散熱器的傳熱性能有明顯提高,而導熱系數與熱管的材料本身有關,故可在熱管研究機理上做進一步深入研究。同時,也要清楚的看到單獨改善熱管設計雖可以提高性能,但不能從根本上提高散熱系統的性能,這與熱管的作用也是相符的,熱管只是起到傳遞熱量的作用。

(2)改變模擬芯片尺寸

實驗中,計算出了在風速1.5～3m/s,加熱功率60～200W時,擴散熱阻是散熱器自身所產生熱阻的6～10倍[5]。同時擴散熱阻越大造成散熱器底部溫度分布越不均勻,從而不能有效地為芯片提供散熱面積,所以重視減小散熱器的擴散熱阻十分重

按照當今CPU芯片的實際尺寸,將模擬芯片尺寸由42.5×42.5mm增加到55.5×55.5mm。

對在加熱功率為197W、冷卻風速取為3m/s時的平板熱管散熱器的底面溫度場分布進行了分析。取散熱器底面中心軸溫度分布值,反映了溫度沿著散熱器底面沿X方向的分布。

由圖10可見,當模擬芯片尺寸由 42.5×42.5mm增加到55.5×55.5mm時,平板熱管散熱器的底面溫度有所降低,由此可見單獨改變模擬芯片尺寸對平板熱管散熱器來說有一定效果,從而可以要。故這里采用改變芯片的尺寸大小,希望通過擴大芯片面積以達到減小擴散熱阻的目的。達到降低擴散熱阻的目的。

圖8 當量導熱系數為40000W/mK的平板熱管散熱器上表面溫度分布

圖10 平板熱管散熱器在芯片尺寸改變前后底板溫度分布比較

5 結論

本文以解決CPU強化散熱問題為研究背景,對平板熱管散熱器對模擬芯片的散熱效果進行了深入研究。由實驗和模擬分析得出以下結論:

(1)采用平板熱管散熱器可以有效提高CPU芯片的散熱性能,芯片發熱量在160W后為其最佳工作狀態,證實平板型熱管散熱器可以滿足大型計算機服務器CPU的冷卻要求。

(2)利用數值模擬方法對平板熱管散熱器底面的導熱效果進行了優化設計,通過改變導熱系數以及擴大模擬芯片尺寸來達到改善CPU冷卻散熱器的散熱效果的目的,并得到了一些有價值的結論,這對改進熱管散熱器的散熱效果有一定的指導意義。

[1] Yiswannath R,Nair R,Wakharker V;et al.Emerging directions for packaging technologies.Interl technology Journal,2002.6:61-74

[2] Lichun Zhang,Tongze Ma,Zhengfang Zhang.Experimental Investigation on Thermal Performance of Flat Miniature Heat Pipes withAxialGrooves.13th International Heat Pipe Conference,Shanghai,China,2004.9.pp 206-211

[3] 程德威,胡幼明,王惠齡.新型平板熱管流動與傳熱特性的理論分析[J].低溫工程,1998,(6):22-24

[4] 胡幼明,王惠齡.新型平板熱管的理論建模分析及金屬絲網表面沸騰的實驗研究[D].華中科技大學碩士論文(1997)

[5] 田金穎.CPU熱管散熱器的實驗研究和數值模擬[D].天津商業大學碩士學位論文(2008)

[6] 馬同澤.熱管[M].北京:科學出版社,1983