用于電子器件冷卻的熱管散熱器實驗研究與優(yōu)化數(shù)值模擬

陸佩強 諸 凱 劉建林 楊 愛 田金穎

1 引言

現(xiàn)代電子設(shè)備正在迅速地向高集成度、高密度組裝、高速度運行方向發(fā)展。作為電子芯片，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(fā)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(dǎo)體元件的溫度每升高10℃，系統(tǒng)可靠性降低50%［1］。由此可見，芯片散熱問題是影響計算機性能能否提升的關(guān)鍵因素。由于平板熱管散熱器其具有導(dǎo)熱性高、均溫性強的特點，已試用于CPU冷卻中，目前國內(nèi)外眾多研究者均在關(guān)注這一問題并發(fā)表了許多研究報告［1-2］。國內(nèi)學(xué)者對不同管壁材料和槽道結(jié)構(gòu)的3個平板小型熱管進行了實驗研究，研究了工質(zhì)充液率，冷凝方式等對熱管性能的影響［3］。華中科技大學(xué)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(fā)段，冷凝段的氣相速度，液相速度和壓降分布［4］。目前對新一代高性能服務(wù)器的冷卻應(yīng)考慮改善熱結(jié)合層溫度及冷卻效果，或者通過采用高導(dǎo)熱相變設(shè)備嵌入到集成散熱器內(nèi)。本文從實際應(yīng)用的角度對平板熱管散熱器導(dǎo)熱性能進行實驗研究。在此基礎(chǔ)上，進一步針對平板熱管散熱器底板的導(dǎo)熱特點，分析了熱管導(dǎo)熱效率及模擬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(jié)構(gòu)的散熱器的實際應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。

2 平板熱管散熱器

2.1 結(jié)構(gòu)形式及特點

散熱板是一種具有高導(dǎo)熱率的平板，它將芯片上形成的高密集度熱量擴散到整個散熱器底板上。因為不均勻的能量分布不僅會導(dǎo)致芯片表面上形成無規(guī)則的高溫分布點，同時也限制了熱源的尺寸，作為一種有效的導(dǎo)熱方式的導(dǎo)熱板對設(shè)計改善具有不均勻能量分布的芯片有很重要的意義。本實驗研究采用的是將與散熱器底面積尺寸相同的平板熱管嵌入到銅質(zhì)散熱器底面。散熱器的外觀如圖1所示。散熱器參數(shù)如表1所示。

圖1 平板熱管散熱器Fig.1 Flat plate heat pipe radiator

表1 實驗用散熱器參數(shù)Table 1 Radiator parameters

2.2 當(dāng)量導(dǎo)熱系數(shù)

由于平面熱管與散熱器底板為一體，所以平板熱管散熱器導(dǎo)熱系數(shù)的確定不適宜用傅立葉導(dǎo)熱公式進行求解。本文旨在研究散熱器對芯片宏觀的冷卻效率，不討論熱管內(nèi)部復(fù)雜的傳熱過程，故采用當(dāng)量導(dǎo)熱系數(shù)來估測平板熱管散熱器的性能。其表達式可用下式表示:

其中底板熱阻可以表示為:

其中:Rbase為底板熱阻，K/W;Tdown為底板下表面平均溫度，K;Tup為底板上表面平均溫度，K;Q為加熱量，W。

圖2 散熱器外形尺寸Fig.2 Radiator dimension

3 實驗研究

3.1 實驗裝置

自行搭建的實驗臺［5］對平板熱管散熱器的散熱性能進行了實驗研究。實驗裝置如圖3所示。采用直流硅熱源對T型發(fā)熱銅柱進行加熱以模擬芯片不同的熱流密度。銅柱內(nèi)埋入兩對熱電偶T2、T3;熱電偶T1埋入位于T型銅柱頂部模擬芯片的中心，用以測量模擬芯片的溫度。由風(fēng)機提供不同流速的氣流對散熱器進行冷卻。發(fā)熱芯片的散熱過程為:芯片熱量通過熱結(jié)合層TIM傳遞到平面熱管散熱板，再通過導(dǎo)熱作用將熱量傳給翅片，最后由空氣將熱量帶走。直接測試的主要參數(shù)有:模擬芯片發(fā)熱量;平板熱管散熱器上、下表面溫度;風(fēng)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Fig.3 Dissipation performance of high heat flux equipment

3.2 實驗結(jié)果

根據(jù)式(1)和式(2)的定義，由平板熱管散熱器底面上、下埋有的數(shù)根熱電偶測得熱管散熱板上下底表面的平均溫度。散熱器工作達到相對穩(wěn)態(tài)時，改變風(fēng)速、加熱功率等參數(shù)條件時，由溫度變化推知散熱板當(dāng)量導(dǎo)熱系數(shù)的變化。實驗采用鋁質(zhì)散熱器與銅質(zhì)平板熱管散熱器進行對比。實驗及計算結(jié)果如圖4—圖 5。

由圖4—圖5可知，兩種散熱器在風(fēng)速提高1倍的條件下，散熱板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(fēng)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，鋁質(zhì)散熱器的溫差大于平板熱管散熱器，且在高能量區(qū)差別更加明顯。例如在風(fēng)速為1.5 m/s、加熱功率為72 W時，平板熱管散熱器底表面溫差為5.8℃，鋁質(zhì)散熱器的溫差為8.6℃;在加熱功率為197 W時，平板熱管散熱器底表面溫差為13℃，鋁質(zhì)散熱器的溫差為20℃。究其原因為平板熱管散熱器具有較強的傳熱性能，尤其是平板熱管散熱器的熱管蒸發(fā)端與散熱器底板面積相同，且與熱源直接接觸，故更能體現(xiàn)熱管的強化傳熱特性。將實驗所測數(shù)據(jù)代入式(1)，得到風(fēng)速為3 m/s時，平板熱管散熱器的當(dāng)量導(dǎo)熱系數(shù)隨模擬芯片加熱功率的變化情況如圖6。

圖6 不同熱功率對當(dāng)量導(dǎo)熱系數(shù)的影響Fig.6 Effect of proper thermal conductivity on different thermal power

由圖6可見，散熱器當(dāng)量導(dǎo)熱系數(shù)隨加熱功率的增加呈線性增高的趨勢。但在160 W之后變化幅度逐漸變小，說明平板熱管散熱器的當(dāng)量導(dǎo)熱系數(shù)達到穩(wěn)定值為1 800 W/(m2·K)—1 900 W/(m2·K)，是其最優(yōu)工作狀態(tài)點。

4 數(shù)值模擬

改變散熱器底板的導(dǎo)熱系數(shù)以及改變散熱器與芯片的接觸方式是改善CPU冷卻散熱器的散熱效果兩條重要途徑［5］。為了在風(fēng)冷方式下獲得最佳的冷卻效果，對平板熱管散熱器底板進行了嘗試性的優(yōu)化分析。

4.1 建立模型

在建立計算模型時做如下假定:(1)假設(shè)流動空氣為定常連續(xù)不可壓縮流體，在風(fēng)道內(nèi)做強制紊流流動，其物性參數(shù)為常數(shù)。(2)散熱器放置在非封閉的空間，周圍空間設(shè)定為壓力為101 325 Pa，同時設(shè)定環(huán)境溫度為20℃。(3)由于不考慮輻射換熱，風(fēng)道壁面均按絕熱條件給定。由于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(fēng)道壁面及翅片表面無滑移產(chǎn)生。(4)進口流速假定為均勻。風(fēng)道出口與散熱器間留有足夠長的距離以防止回流現(xiàn)象的產(chǎn)生。完成基本邊界條件設(shè)置后，進行網(wǎng)格劃分及后處理求解。由于篇幅的限制，在這里僅對風(fēng)速條件為3.1 m/s情況進行了對比分析。

4.2 優(yōu)化當(dāng)量導(dǎo)熱系數(shù)模擬結(jié)果

根據(jù)熱管理論計算［6］，熱管導(dǎo)熱系數(shù)可達30 000 W/(m·K)—50 000 W/(m·K)，為了能夠?qū)Ρ炔煌瑢?dǎo)熱系數(shù)熱管散熱器的散熱效果，將優(yōu)化后的平板熱管散熱器當(dāng)量導(dǎo)熱系數(shù)設(shè)定為40 000W/(m·K)，其它的參數(shù)保持一致，計算后進行處理，并與當(dāng)量導(dǎo)熱系數(shù)為2 000W/(m·K)的平板熱管散熱器在加熱功率為197 W、冷卻風(fēng)速取為3 m/s時的表面溫度場分布進行了比較。圖7和圖8是當(dāng)量導(dǎo)熱系數(shù)分別為2 000 W/(m·K)和40 000 W/(m·K)時的數(shù)值模擬結(jié)果。

由圖7—圖9可知，提高當(dāng)量導(dǎo)熱系數(shù)能明顯提高散熱器的均溫性。優(yōu)化當(dāng)量導(dǎo)熱系數(shù)所進行的數(shù)值計算其意義在于:強化散熱底板的傳熱性能對整體散熱器的冷卻效率非常重要，例如在普通散熱器底板嵌入熱管時要考慮到熱管形狀、布置、以及針對發(fā)熱點等等的最佳化，這無疑可強化底板的傳熱，就等同于提高了散熱板的當(dāng)量導(dǎo)熱系數(shù)。同時由實驗研究可知，在空間占有率最小的條件下，散熱器底面積尺寸和芯片面積尺寸的比例設(shè)計也十分關(guān)鍵。本研究是將熱管作為一個高導(dǎo)熱率的材料來看待，熱管只是起到強化傳遞熱量的作用。因為單獨改善熱管設(shè)計雖可以提高性能，但從大型服務(wù)器冷卻方案上考慮更應(yīng)注重散熱器結(jié)構(gòu)設(shè)計與CPU的散熱特點。

圖9 優(yōu)化模擬表面溫度分布比較Fig.9 Optimization and simulation of surface temperature distribution

5 結(jié)論

以研究CPU強化散熱問題為目的，對平板熱管散熱器以及模擬芯片的散熱效果進行了研究。由實驗和模擬分析得出以下結(jié)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(fā)熱量在160 W時仍為較佳工作狀態(tài)，證實平板型熱管散熱器可以滿足大型計算機服務(wù)器CPU的冷卻要求。

(2)用數(shù)值模擬方法對平板熱管散熱器底面的導(dǎo)熱效率進行了優(yōu)化設(shè)計計算，其意義在于強化散熱底板的傳熱性能對整體散熱器的冷卻效率更尤為重要?？紤]熱管形狀、布置、以及針對發(fā)熱點等等的最佳化，無疑可強化底板的傳熱，這對改進管散熱器的結(jié)構(gòu)設(shè)計有一定的指導(dǎo)意義。

1 Yiswannath R，Nair R，Wakharker V，et al.Emerging directions for packaging technologies［J］.Inter technology Journal，2002(6):61-74.

2 Zhang Lichun，Ma Tongze，Zhang Zhengfang.Experimental Investigation on Thermal Performance of Flat Miniature Heat Pipes with Axial Grooves［C］.13th International Heat Pipe Conference，Shanghai，China，2004，206-211.

3 張立春，馬同擇，張正芳，等.微槽平板熱管傳熱性能的實驗研究［J］，工程熱物理學(xué)報，2003，24(3)493-495.

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(wǎng)表面沸騰的實驗研究［D］.武漢:華中科技大學(xué)，1997.

5 田金穎.CPU熱管散熱器的實驗研究和數(shù)值模擬［D］.天津:天津商業(yè)大學(xué)，2008.