計(jì)算機(jī)CPU熱管散熱器換熱性能研究

王 鵬,葉 立,許 伍,胡永海

(上海理工大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院,上海,200093)

近年來(lái),隨著電子工業(yè)的迅猛發(fā)展,各種電子設(shè)備也越來(lái)越向高頻、高集成化發(fā)展,從而導(dǎo)致其發(fā)熱量逐年增加。同時(shí),由于使用了以集成電路和大規(guī)模集成電路的小型化部件,趨向于高密度裝配,因而單位容積的發(fā)熱量逐年增大。一個(gè)最典型的例子就是電子計(jì)算機(jī)芯片近年來(lái)的發(fā)展。為了保證電腦CPU正常運(yùn)行,需要使內(nèi)裝電子元件維持在一定溫度范圍內(nèi)運(yùn)轉(zhuǎn)[1]。這是因?yàn)殡娮釉男阅軐?duì)溫度非常敏感,溫度過(guò)高或過(guò)低,元件性能將顯著下降,不能穩(wěn)定工作,從而也將影響到整個(gè)系統(tǒng)的可靠運(yùn)行。當(dāng)今電子產(chǎn)品的熱設(shè)計(jì)中,由于熱流量的不斷提高,僅采用標(biāo)準(zhǔn)的翅片式散熱片很難滿足要求。熱管由于其導(dǎo)熱性能好,熱阻小,可將熱量穩(wěn)定地由一處傳遞到另一處,故通過(guò)熱管將熱量由小空間處傳遞到一定距離外的相對(duì)大空間里的散熱片上,可利用空氣自然對(duì)流的方式達(dá)到電子產(chǎn)品換熱的目的[2～5]。

基于上述分析,本文分別建立了熱管式散熱器與普通翅片散熱器幾何模型,利用ANSYS軟件進(jìn)行熱特性比較分析,模擬計(jì)算出穩(wěn)態(tài)溫度場(chǎng)分布,以及不同功率下CPU中心點(diǎn)的傳熱特性,并對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

1 數(shù)值模型

1.1 模型建立及網(wǎng)格劃分

本文所研究的流體在管間及管束周?chē)牧鲃?dòng)與換熱情況是一種典型的多尺度、大分離復(fù)雜流場(chǎng)計(jì)算。為獲得較高精度,計(jì)算所需用網(wǎng)格數(shù)相當(dāng)龐大,使得計(jì)算趨于困難?？紤]到本文所提出的模型本質(zhì)上為周期性結(jié)構(gòu),此處將其簡(jiǎn)化為單流道進(jìn)行處理,其三維模型如圖1所示。各幾何結(jié)構(gòu)參數(shù)為:熱源CPU長(zhǎng)20mm,寬20mm,高h(yuǎn)=1.75mm,CPU安裝銅片厚度5mm,熱管和翅片高度均為80mm,其間隔均為8mm,熱管直徑與銅管直徑均為5mm。通過(guò)空氣自然對(duì)流進(jìn)行換熱,周?chē)諝馓幱谑覝?0℃,空氣對(duì)流換熱系數(shù)12W/m2℃。

控制方程為二維不可壓縮流雷諾時(shí)均N-S方程。雷諾應(yīng)力采用k-ε湍流模型進(jìn)行估計(jì)。

圖1 熱管式與普通銅管散熱器單流道模型

計(jì)算采用基于有限體積法的Simple系列方法,其中能量方程、動(dòng)量方程、湍動(dòng)能、湍流耗散率均采用具有三階精度的Quick格式離散。計(jì)算首先選用較小的欠松弛因子和一階迎風(fēng)格式得到初值,然后采用二階迎風(fēng)格式得到最終結(jié)果。

為了準(zhǔn)確地模擬出管壁附近流動(dòng)和換熱以及管內(nèi)的導(dǎo)熱,同時(shí)又要控制網(wǎng)格的數(shù)目,劃分網(wǎng)格時(shí),采用非均勻網(wǎng)格,對(duì)壓力、速度和溫度梯度比較大的管壁及導(dǎo)流翼附近區(qū)域網(wǎng)格進(jìn)行局部加密處理以提高這些區(qū)域內(nèi)解的分辨率。管路區(qū)域網(wǎng)格采用六面體,其他區(qū)域采用四面體,整個(gè)計(jì)算域網(wǎng)格數(shù)量近80萬(wàn),網(wǎng)格質(zhì)量Skewness值小于0.8。

計(jì)算域左界面設(shè)定為入口速度邊界條件,計(jì)算域右界面設(shè)定為壓力出口邊界條件,CPU設(shè)為發(fā)熱源,發(fā)熱量給定常數(shù)作為熱邊界條件,計(jì)算域下界面設(shè)為軸對(duì)稱邊界。各計(jì)算參數(shù)下降三個(gè)數(shù)量級(jí)并達(dá)穩(wěn)定,進(jìn)出口質(zhì)量流量相差0.1%以下作為殘差收斂標(biāo)準(zhǔn)。

1.2 假設(shè)條件及材料物性參數(shù)

進(jìn)行計(jì)算時(shí)對(duì)所建立的數(shù)值模型作如下假設(shè):

(1)熱管的材料性質(zhì)不隨時(shí)間的改變而改變。

(2)熱管為一實(shí)心固體,以此計(jì)算熱管等效傳熱系數(shù)。

(3)CPU在連續(xù)工作一段時(shí)間后,達(dá)到熱平衡狀態(tài),可以看做穩(wěn)態(tài)熱傳導(dǎo)問(wèn)題。

(4)忽略輻射換熱。

CPU的材料屬于典型復(fù)合材料,其力學(xué)參數(shù)和熱學(xué)參數(shù)都比較難以確定。為了簡(jiǎn)化計(jì)算,本文把CPU看成均質(zhì)各向同性材料,即用晶體管的性質(zhì)作為整個(gè)CPU模型的熱學(xué)參數(shù),計(jì)算所需材料物性參數(shù)如表1所示。

表1 材料物性參數(shù)

2 模擬結(jié)果及分析

2.1 熱管式散熱器與普通翅片散熱器穩(wěn)態(tài)工作情況下的溫度分布

圖2 翅片散熱器工作1800秒時(shí)溫度分布圖

圖3 熱管散熱器工作1800秒時(shí)溫度分布圖

普通翅片散熱器和熱管式散熱器的穩(wěn)態(tài)溫度分布圖如圖2和圖3所示,此時(shí)CPU功率為40W,散熱器工作1800秒。從圖中可看出普通翅片散熱器中存在較明顯的溫度分布,從翅片根部 (熱源端)向翅片自由端部遞減,溫度梯度跨度較大;而熱管式散熱器中溫度分布比較均勻,溫度梯度很小,說(shuō)明熱管式散熱器比普通翅片散熱器擁有更好的均溫性。兩種散熱器中溫度最大值均出現(xiàn)在CPU發(fā)熱塊中心處,普通翅片散熱器的最高溫度值為379.6K,熱管式散熱器的最高溫度值為351.4K,二者相差28.5℃,說(shuō)明熱管式散熱器比普通翅片散熱器擁有更好的熱傳導(dǎo)性能。

2.2 不同功率下熱管式散熱器和普通翅片散熱器中心點(diǎn)溫度隨時(shí)間的變化關(guān)系

圖4 普通翅片散熱器在不同CPU功率下的溫度-時(shí)間曲線圖

圖5 熱管式散熱器在不同CPU功率下的溫度-時(shí)間曲線圖

隨著集成化趨勢(shì)的形成及電腦配置的不斷提高,CPU功率也在不斷增加。文中對(duì)不同功率下普通翅片散熱器和熱管式散熱器中心點(diǎn)溫度隨時(shí)間的變化關(guān)系進(jìn)行了計(jì)算,并對(duì)二者在高CPU功率下的散熱特性進(jìn)行了比較,計(jì)算結(jié)果如圖4、圖5所示。兩種換熱器中心點(diǎn)溫度隨時(shí)間的變化關(guān)系非常相似,在初始階段都上升較快,隨時(shí)間進(jìn)行上升趨勢(shì)逐漸趨緩,于1800秒左右都基本達(dá)到穩(wěn)定,但二者的具體溫度值有所不同。當(dāng)CPU功率較小時(shí)(例如P=30W),熱管式散熱器和銅管散熱器中心點(diǎn)的最高溫度值都小于363K,在CPU所能承受的正常范圍內(nèi)。當(dāng)CPU功率上升至50W時(shí),普通翅片散熱器中心點(diǎn)最高溫度值已達(dá)到375K以上,超出了CPU所能承受的范圍,無(wú)法滿足換熱要求;而此時(shí)熱管式散熱器中心點(diǎn)最高溫度值仍保持在360K左右,可保證CPU的正常運(yùn)行。在CPU高功率運(yùn)行工況下,使用熱管式散熱器比使用普通翅片散熱器更具有優(yōu)勢(shì),即使CPU功率升至70W及更高值時(shí),也可以通過(guò)添加熱管數(shù)量的方式輕松實(shí)現(xiàn)CPU溫度控制。

3 模擬結(jié)果的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

3.1 實(shí)驗(yàn)裝置

CPU熱管式散熱器實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)如圖6所示,整個(gè)系統(tǒng)由風(fēng)機(jī)、數(shù)據(jù)采集器、加熱器以及熱管散熱器四部分構(gòu)成。為使空氣流經(jīng)熱管換熱器后速度分布接近均勻,采用了較長(zhǎng)的入口段。熱管加熱方式采用電加熱,電加熱熱源由模擬加熱塊通過(guò)五根電阻絲加熱棒提供,加熱功率大小由變壓器控制,顯示于電流電壓表上。熱管表面溫度由三個(gè)熱電偶測(cè)定,熱電偶測(cè)點(diǎn)R1、R2和R3位置如圖7所示,各測(cè)點(diǎn)溫度值均由數(shù)據(jù)采集儀 (HP34970A)記錄。

圖6 CPU熱管式散熱器實(shí)驗(yàn)裝置圖

圖7 實(shí)驗(yàn)測(cè)點(diǎn)位置圖

3.2 實(shí)驗(yàn)值與計(jì)算值的比較

CPU功率為40W,空氣流態(tài)為自然對(duì)流,空氣流速取0.2m/s、0.4m/s、0.6m/s三組,環(huán)境溫度20℃。散熱器工作1800秒后認(rèn)為其進(jìn)入穩(wěn)定工作狀態(tài),開(kāi)始測(cè)取表面溫度。

圖8列出了熱管式散熱器在不同空氣流速下三測(cè)點(diǎn)所測(cè)得溫度值和相應(yīng)位置處的模擬計(jì)算溫度值。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,當(dāng)空氣流速為0.4m/s時(shí),模擬計(jì)算值與實(shí)驗(yàn)值吻合最好;此時(shí)的三測(cè)點(diǎn)中,R1處的實(shí)驗(yàn)測(cè)得值與計(jì)算值相差最大,約4.5℃,據(jù)推測(cè)可能是由于CPU與熱管接觸處存在導(dǎo)熱硅膠熱阻所致。

測(cè)點(diǎn)實(shí)驗(yàn)值與計(jì)算值基本吻合,證明了所用數(shù)值模型的正確性和計(jì)算結(jié)果的可信性。

圖8 熱管式散熱器測(cè)點(diǎn)實(shí)驗(yàn)值與計(jì)算模擬值對(duì)比

4 結(jié)語(yǔ)

計(jì)算機(jī)的高度集成化發(fā)展,導(dǎo)致了計(jì)算機(jī)芯片單位容積放熱量的逐漸增大,為滿足CPU正常運(yùn)行時(shí)對(duì)最高溫度和表面溫度均溫性的限制要求,本課題對(duì)CPU熱管式散熱器和普通翅片散熱器進(jìn)行了數(shù)值模擬,對(duì)兩種散熱器在穩(wěn)態(tài)工作情況下的溫度分布規(guī)律及不同功率下散熱器中心點(diǎn)溫度隨時(shí)間的變化關(guān)系進(jìn)行了比較,并搭建實(shí)驗(yàn)臺(tái)對(duì)熱管式散熱器進(jìn)行了溫度測(cè)定。通過(guò)計(jì)算和實(shí)驗(yàn)可得到以下結(jié)論:

(1)穩(wěn)態(tài)工作情況下,熱管式散熱器表面溫度分布均勻,具有很高的等溫特性;而普通翅片散熱器則存在明顯的溫度梯度跨度。

(2)熱管式散熱器的熱傳導(dǎo)性能遠(yuǎn)高于普通翅片散熱器,相同情況下 (CPU功率=40W),熱管式散熱器CPU發(fā)熱塊中心處的最高溫度值比普通翅片散熱器CPU發(fā)熱塊中心處的最高溫度值低28.5℃。

(3)熱管式散熱器比普通翅片散熱器更能滿足CPU高功率運(yùn)行的散熱要求,并可通過(guò)添加熱管數(shù)量的方式輕松實(shí)現(xiàn)對(duì)散熱效果的控制。

(4)實(shí)驗(yàn)測(cè)得數(shù)據(jù)和計(jì)算模擬數(shù)據(jù)基本吻合,證明了計(jì)算模型的正確性和計(jì)算結(jié)果的可信性。

本研究對(duì)于計(jì)算機(jī)CPU散熱器傳熱性能分析及其優(yōu)化設(shè)計(jì)具有一定指導(dǎo)意義。

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