CPU芯片熱電冷卻系統(tǒng)傳熱過(guò)程仿真與優(yōu)化

沈佳楚

【摘要】本文針對(duì)熱電制冷機(jī)理及其用于電子元器件熱管理，從實(shí)驗(yàn)研究和數(shù)值模擬兩個(gè)方面著手，對(duì)目前熱電制冷技術(shù)用于芯片冷卻的國(guó)內(nèi)外研究進(jìn)展進(jìn)行了詳細(xì)的報(bào)道，并對(duì)今后電子元器件應(yīng)用熱電制冷技術(shù)進(jìn)行散熱提出了一些建議。在本文中模擬了一種風(fēng)冷式熱電制冷器，分析出穩(wěn)態(tài)下，電流參數(shù)的改變，對(duì)CPU的表面溫度以及TEC的制冷系數(shù)的影響，目的是優(yōu)化熱電制冷器的運(yùn)行和結(jié)構(gòu)參數(shù)。

【關(guān)鍵詞】熱電制冷；數(shù)值模擬；CPU冷卻；優(yōu)化設(shè)計(jì)

中圖分類號(hào)：TK12

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1006-0278（2015）04-092-02

隨著電子元器件封裝集成度的迅速提高而使得體積的不斷縮小，以及其性能和速度的不斷提高，芯片的能耗和發(fā)熱量也隨著不斷增大。因此這對(duì)高性能冷卻技術(shù)提出了迫切要求，也體現(xiàn)了熱電冷卻CPU實(shí)際應(yīng)用的廣闊市場(chǎng)空間。熱電制冷作為一種新型的制冷技術(shù)，具有無(wú)需制冷劑和機(jī)械部件、輕便、無(wú)噪音、能實(shí)現(xiàn)溫度精確控制等優(yōu)點(diǎn)，特別適合應(yīng)用于電子元器件的冷卻散熱。國(guó)內(nèi)外學(xué)者己從各個(gè)不同角度出發(fā)，對(duì)熱電制冷理論進(jìn)行了研究，并取得了一系列有意義的成果。而ANSYS有限元分析軟件是一個(gè)融結(jié)構(gòu)、熱、流體、電磁、聲學(xué)等分析為一體的大型、通用的有限元軟件。

熱電制冷作為一種新型的制冷技術(shù)，具有無(wú)需制冷劑和機(jī)械部件、輕便、無(wú)噪音、能實(shí)現(xiàn)溫度精確控制等優(yōu)點(diǎn)，特別適合應(yīng)用于電子元器件的冷卻散熱。國(guó)內(nèi)外學(xué)者己從各個(gè)不同角度出發(fā)，對(duì)熱電制冷理論進(jìn)行了研究，并取得了一系列有意義的成果。本文針對(duì)熱電制冷機(jī)理及其用于電子元器件熱管理，從實(shí)驗(yàn)研究和數(shù)值模擬兩個(gè)方面，對(duì)目前熱電制冷技術(shù)用于芯片冷卻的國(guó)內(nèi)外研究進(jìn)展進(jìn)行了詳細(xì)的報(bào)道；并對(duì)今后電子元器件應(yīng)用熱電制冷技術(shù)進(jìn)行散熱提出了一些建議。

一、實(shí)驗(yàn)件介紹

本次模擬實(shí)驗(yàn)選用的CPU芯片為AMD速龍64×25200+，散熱器選用6063T5鋁合金，實(shí)驗(yàn)所選擇的導(dǎo)熱硅脂的導(dǎo)熱系數(shù)是4.OW/mK，抗電壓擊穿值在4000伏以上，本身具有一定的柔韌性，很好的貼合功率器件與散熱鋁片或機(jī)器外殼間的從而達(dá)到最好的導(dǎo)熱及散熱目的，符合目前電子行業(yè)對(duì)導(dǎo)熱材料的要求。

二、模型建立

為了簡(jiǎn)單起見(jiàn)，模擬的熱電制冷器模型做了如下假設(shè)：

1.熱電對(duì)的兩臂具有相同的熱導(dǎo)率，相同的電阻率，大小相等符號(hào)相反的溫差電動(dòng)勢(shì)率，兩臂的截面積和長(zhǎng)度也相等；2.熱電臂的導(dǎo)熱只沿長(zhǎng)度方向，橫向不考慮熱傳導(dǎo)及熱損失；3.忽略陶瓷片，金屬連接片及熱電臂冷熱端接觸熱阻的影響；4.忽略湯姆遜效應(yīng)的影響；5.忽略熱電模塊熱端與散熱器的接觸熱阻，冷端與導(dǎo)熱鋁塊之間的接觸熱阻的影響；6.計(jì)算區(qū)域六面體的每個(gè)面都設(shè)置為開(kāi)口，即整個(gè)風(fēng)冷模型與大氣相通。

三、數(shù)值模擬分析

（一）建模

首先定義單元屬性。根據(jù)第二章中建立的模型的形狀、尺寸、載荷的形式綜合考慮，選擇SOLID70單元類型進(jìn)行熱分析，以得到相應(yīng)的穩(wěn)態(tài)溫度場(chǎng)。實(shí)常數(shù)在這里不需定義，材料屬性則根據(jù)第二章所給的各種材料，分別定義各材料的穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱系數(shù)。

然后導(dǎo)入幾何模型。由于在ANSYS里面建立幾何模型相對(duì)麻煩，本次模擬是通過(guò)UG來(lái)建模，然后導(dǎo)入ANSYS里面。

最后是進(jìn)行網(wǎng)格劃分，除了散熱翅片采用自由劃分外，其它部件采用面劃分映射網(wǎng)格。對(duì)于給面劃分網(wǎng)格時(shí)，面需要滿足的條件有：此面必須由3或4條線圍成，在對(duì)便上必須由相等的單元?jiǎng)澐謹(jǐn)?shù)；或者可以采用拾取一個(gè)面的3或4個(gè)角點(diǎn)來(lái)進(jìn)行面映射網(wǎng)格劃分。

（二）加載計(jì)算

這里給出簡(jiǎn)化模型后所需要的參數(shù)計(jì)算公式：

熱電材料的塞貝克常數(shù)：

對(duì)流換熱系數(shù)：h-40W/m2/K（熱沉），h-lOW/m2/K（其它）

環(huán)境溫度：300K

經(jīng)過(guò)計(jì)算，得出本次模擬需要加載的參數(shù)如表1所示。

（三）求解

對(duì)于穩(wěn)態(tài)熱分析，可以使用POST1進(jìn)行后處理。下面給出輸入電流I-2A下的模擬結(jié)果，如圖1所示。

四、數(shù)據(jù)處理與分析

本次基于所選模型（T1278的TEC制冷片應(yīng)用于型號(hào)為AMD速龍64×25200+的CPU芯片）的數(shù)值模擬，其結(jié)果在表2中給出。由表可得，隨著通過(guò)TEC的電流值的增加，TEC的致冷能力增強(qiáng)，使得CPU能被充分冷卻。在考慮到CPU的最佳運(yùn)行溫度、TEC的經(jīng)濟(jì)性能或COP、結(jié)露等因素，可以得出輸給TEC電流值范圍在1.8A-2.4A內(nèi)較合適。

五、結(jié)論

半導(dǎo)體致冷應(yīng)用于電腦芯片的冷卻，會(huì)使計(jì)算機(jī)運(yùn)行性能得到很大的提高。在考慮經(jīng)濟(jì)性和實(shí)用性的方面，對(duì)于不同功率下的芯片進(jìn)行數(shù)值模擬分析，以求得效益最大的制冷片TEC-CPU組合對(duì)。本次模擬在給定的模型中，得出了型號(hào)為T1278的TEC制冷片應(yīng)用于型號(hào)為AMD速龍64×25200+的CPU芯片中，能效比和經(jīng)濟(jì)性最優(yōu)的電流值是在1.8A-2.4A的范圍內(nèi)。

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