帶有強(qiáng)化換熱結(jié)構(gòu)的芯片散熱器實(shí)驗(yàn)研究與數(shù)值模擬

諸凱 王華峰 王建惠 張密 楊洋

(天津商業(yè)大學(xué)天津市制冷技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 天津 300134)

帶有強(qiáng)化換熱結(jié)構(gòu)的芯片散熱器實(shí)驗(yàn)研究與數(shù)值模擬

諸凱 王華峰 王建惠 張密 楊洋

(天津商業(yè)大學(xué)天津市制冷技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 天津 300134)

超級或大型計(jì)算機(jī)服務(wù)器CPU的冷卻散熱問題，已經(jīng)成為計(jì)算機(jī)高性能發(fā)展的瓶頸，受到業(yè)內(nèi)越來越廣泛的關(guān)注。本文提出了一種用于冷卻計(jì)算機(jī)服務(wù)器芯片的散熱器，其結(jié)構(gòu)是將鑲嵌在散熱器底板的熱管與翅片組裝為一體。利用自建實(shí)驗(yàn)臺對該散熱器以及平板式熱管散熱器的性能進(jìn)行了對比實(shí)驗(yàn)分析，同時(shí)對其熱管本體、翅片以及均溫板的溫度分布進(jìn)行了數(shù)值模擬。這種熱管冷凝段得到強(qiáng)化換熱的散熱器其底板面積相對平板式熱管散熱器減小了50%，因此具有更好的均溫性；在相同的工況下熱流密度由24.3W/cm2增至68.6W/cm2時(shí)，該散熱器翅片頂部的平均溫度增幅僅為17%。

芯片冷卻；強(qiáng)化換熱；芯片散熱器；數(shù)值模擬

隨著信息、金融及多行業(yè)對高端計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器功能要求的不斷提高，大型以及超級計(jì)算機(jī)的技術(shù)性能必須相應(yīng)快速發(fā)展，但隨之帶來了服務(wù)器CPU芯片熱流密度增大、溫度巨升，高熱量無法及時(shí)散出等一系列問題。大型計(jì)算服務(wù)器在工作過程中，如果不能及時(shí)將CPU芯片的熱量散出，會直接影響其穩(wěn)定運(yùn)行。如何使CPU芯片局部表面過高的熱量快速均勻鋪開并及時(shí)散發(fā)出去，已成為業(yè)內(nèi)爭相研究的焦點(diǎn)[1－3]。在計(jì)算機(jī)芯片冷卻散熱方面，平板式熱管換熱器具有良好的散熱效果[4－5]，但是這種散熱器底板面積相對較大，而且平面熱管的加工難度也較大[6]。在此基礎(chǔ)上，本文提出一種具有強(qiáng)化換熱特征的新型散熱器。即在散熱器底板內(nèi)鑲嵌有熱管，并將熱管的冷凝段與散熱翅片組裝在一起，使冷凝換熱得到強(qiáng)化。為了研究分析該散熱器的散熱性能，對其進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究和數(shù)值模擬，并且與換熱性能良好的平板式熱管散熱器進(jìn)行了對比，量化說明該散熱器的冷卻散熱效果。

1 散熱器結(jié)構(gòu)及原理

平板式熱管散熱器和散熱器底板鑲嵌有熱管的這種新型散熱器結(jié)構(gòu)分別如圖1和圖2所示。為了敘述上的方便，將平板式熱管散熱器稱為散熱器1；將散熱底板鑲嵌有熱管的(熱管具有強(qiáng)化換熱結(jié)構(gòu))散熱器稱為散熱器2。散熱器1的底板即是平面熱管的底面，翅片鑲嵌在平板式熱管的上表面，翅片的厚度為0.5 mm(如圖1)。

散熱器2的底板僅為(圖2)中間部分，該部分底板與芯片緊固接觸。該散熱器共鑲有5根熱管:其中3根直圓柱形熱管的中段鑲嵌在(底板)中間部分，兩端嵌入翅片中；另外2根圓柱形熱管折彎成U型，其中的一段(約占總長1/3)鑲嵌在底板中間部分，其余2/3全部嵌入翅片中，但熱管的折彎處置于散熱器外部(如圖2)。5根熱管的直徑均為6 mm，散熱器的底板為銅質(zhì)，翅片的厚度也為0.5 mm。

圖1 平板熱管式散熱器Fig·1 Flat heat pipe radiator

圖2 熱管冷凝段得到強(qiáng)化換熱的散熱器Fig·2 Strengthen heat pipe condensation end heat transfer heat radiator

表1 實(shí)驗(yàn)用散熱器參數(shù)Tab·1 Parameter table of the radiator for the experiment

散熱器1的傳熱過程為:CPU(或其它高熱流密度器件)的熱量通過熱擴(kuò)散板導(dǎo)熱至散熱器底板，整個(gè)散熱器的底面即為平板式熱管的蒸發(fā)面，最終CPU的熱量通過底板上面的翅片被空氣散出。

散熱器2的傳熱過程為:CPU的熱量通過熱擴(kuò)散板導(dǎo)熱至鑲嵌在散熱器底板內(nèi)的(5根)熱管上，通過熱管的導(dǎo)熱迅速將熱量擴(kuò)散至散熱器底板。由于3根直形熱管的兩端(冷凝段)置于翅片中，另外2根折彎成U型熱管的冷凝段也嵌入翅片中，所以熱管的冷凝換熱均得到強(qiáng)化，最終CPU的熱量均通過翅片被空氣帶走。

散熱器1的散熱效率早已得到業(yè)內(nèi)的認(rèn)可，但加工難度較大，并且有色金屬耗材較多。兩種散熱器的外形體積雖然相同，但是散熱器2底板的面積是散熱器1的1/2。通過改變熱管的設(shè)置結(jié)構(gòu)來強(qiáng)化傳熱，其散熱效率并不低于散熱器1。

2 散熱器數(shù)值模擬與實(shí)驗(yàn)

2·1 數(shù)值模擬

通過PRO-E建立散熱器的實(shí)體模型，兩種具有熱管結(jié)構(gòu)的散熱器數(shù)值模擬采用Ansys計(jì)算軟件。在數(shù)值模擬中，假設(shè)條件如下:1)空氣流體滿足Boussinesq(布辛涅司克)假設(shè)；2)空氣流體及散熱器物性參數(shù)為常數(shù)；3)空氣流體為不可壓縮流體；4)空氣流體在壁面處無滑移；5)空氣流動為定值；6)不計(jì)自然對流和輻射換熱的影響；7)熱管與翅片的接觸熱阻忽略不計(jì)，且(散熱器2)熱管彎折段的性能不受影響[7]。

邊界條件設(shè)置為:風(fēng)道內(nèi)平均速度分別為3 m/s 和4.5 m/s、(模擬熱源的)熱流密度分別為24.3 W/ cm2、44.3 W/cm2和68.6 W/cm2，進(jìn)口風(fēng)溫為室內(nèi)溫度T＝291 K；風(fēng)道出口為Outflow類型。

2·2 實(shí)驗(yàn)裝置及方法

性能實(shí)驗(yàn)采用的實(shí)驗(yàn)裝置[8]如圖3和圖4所示。實(shí)驗(yàn)臺中的模擬CPU發(fā)熱源(方形銅柱)與散熱器底板緊密固定，底板與熱源之間覆有(減低接觸熱阻)熱結(jié)合層。發(fā)熱量(模擬CPU)由硅加熱片提供，用數(shù)字式直流穩(wěn)壓電源調(diào)節(jié)其功率。模擬熱源設(shè)有兩個(gè)溫度測點(diǎn)T2、T3，熱擴(kuò)散板的溫度由熱電偶T1測量。風(fēng)機(jī)的風(fēng)速由直流穩(wěn)壓電源控制，對散熱器進(jìn)行強(qiáng)迫冷卻，風(fēng)速值由單點(diǎn)熱線風(fēng)速儀測量。

3 結(jié)果及對比分析

3·1 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

通過實(shí)驗(yàn)得到，風(fēng)速分別為3 m/s和4.5 m/s時(shí)，兩種散熱器的熱擴(kuò)散板溫度隨熱流密度變化的實(shí)驗(yàn)曲線，由圖5和圖6所示。在風(fēng)速相同條件下，兩散熱器的熱擴(kuò)散板溫度隨熱流密度的增大而升高，散熱器1升高的速率均大于散熱器2，而且散熱器2溫度上升的梯度明顯小于散熱器1，可見散熱器2有更好的均溫性。兩散熱器之間的溫差隨熱流密度增加也呈現(xiàn)上升趨勢，但在相同的熱流密度下，散熱器1的溫度均高于散熱器2。例如風(fēng)速3 m/s、熱流密度24.3 W/cm2時(shí)，兩者溫差為5.12℃。風(fēng)速不變，熱流密度為68.6 W/cm2時(shí)，兩者溫差為12.56℃。此時(shí)散熱器1總溫差為10.20℃，散熱器2的為2.76℃。由此可知，散熱器2的傳熱與散熱性能優(yōu)于散熱器1。

圖3 高熱流密度電子器件散熱性能實(shí)驗(yàn)裝置Fig·3 Experimental devices for the heat dissipating per formance of high heating flux electroniCdevices

圖4 模擬CPU實(shí)驗(yàn)加熱裝置Fig·4 The experimental heating device for simulation of the CPU

3·2 新型散熱器的熱管及翅片溫度分布

散熱器2溫度分布的數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果，如圖7和圖8所示。圖7是5根熱管本體的溫度分布；圖8是散熱器翅片上的溫度分布(圖中溫度用熱力學(xué)溫標(biāo)，e＋002表示10的2次方)。

由圖7可看出，在5根熱管中，中間3根熱管(蒸發(fā)段)的最高溫度可達(dá)21.13℃，兩側(cè)熱管的最高溫度逐漸降低，熱管的最低溫度為20.06℃，溫差為1.07℃。整體來看，溫度降低速率比較均勻。

圖5 風(fēng)速3 m/s兩種散熱器熱擴(kuò)散板溫度Fig·5 Two kinds of thermal diffusion Plate temperature with w ind speed set of 3 m/s

圖6 風(fēng)速4·5 m/s兩種散熱器熱擴(kuò)散板溫度Fig·6 Two kinds of thermal diffusion Plate temperature with w ind speed set of 4·5 m/s

圖7 散熱器2熱管本體的溫度分布Fig·7 Heat pipes body temperature distribution in radiator 2

由圖8可知，翅片上最高溫度為21.06℃，最低溫度為20.01℃，溫差為1.05℃。其溫度分布從翅片底部向翅片頂端呈下降趨勢。表2給出了圖7和圖8相同位置的模擬值與實(shí)驗(yàn)值的對比。

由表2可以看出，模擬值與實(shí)驗(yàn)測試值吻合較好。

表2 散熱器熱管及翅片溫度實(shí)驗(yàn)值與模擬值對比Tab·2 Radiator heat pipe and fin temperature comparison between experiment and simulation values

表3 兩種散熱器的熱擴(kuò)散板平均溫度對比Tab·3 Two kinds of thermal diffusion Plate the average temperature comparison between experiment and simulation values

圖8 散熱器2翅片的溫度分布Fig·8 The fin temperature distribution in radiator 2

為了考察不同熱流密度下兩種換熱器散熱效果，表3給出了風(fēng)道內(nèi)平均速度為4.5 m/s、三種不同(模擬熱源)熱流密度時(shí)兩熱擴(kuò)散板的平均溫度比較。

通過表3、圖9和圖10可以看出，模擬值和實(shí)驗(yàn)值基本吻合，對比實(shí)驗(yàn)和模擬結(jié)果來看，兩種散熱器的熱擴(kuò)散板平均溫度隨熱流密度增加都呈現(xiàn)升高的趨勢，散熱器1的增長幅度遠(yuǎn)大于散熱器2。在三種不同熱流密度下，散熱器2的冷卻效果均高于散熱器1，而且隨著熱流密度的增加，效果更加明顯。

散熱器1的底端為平板式熱管，其內(nèi)部工質(zhì)(水)具有較大的傳熱空間，散熱較好。散熱器2的熱管為分立式，但是其底板的面積比散熱器1小1/ 2。雖然底板面積相對較小，但通過強(qiáng)化熱管的換熱，也能顯著增強(qiáng)散熱器的散熱效果。并且較小的底板面積，具有更好的均溫效果，非常有利于芯片“熱點(diǎn)”散熱[9－10]。

圖9 散熱器1熱擴(kuò)散板平均溫度Fig·9 Thermal diffusion Plate average temperature with radiator 1

3·3 兩種散熱器整體的溫度分布

為了比較兩散熱器整體的散熱效果，表4給出了兩種散熱器翅片底板與頂部的溫度差別。同時(shí)圖11給出了兩種散熱器熱流密度與翅片平均溫度的關(guān)系。因?yàn)槌崞敳繙囟确植荚骄鶆颍砻魃崞饔傻装逯辽隙说纳嵝Ч胶?。?shí)驗(yàn)條件為:風(fēng)道內(nèi)平均速度為3 m/s、(模擬熱源的)熱流密度分別為24.3 W/cm2、44.3 W/cm2和68.6 W/cm2，進(jìn)口風(fēng)溫為室內(nèi)溫 度T＝291 K。

表4 不同熱流密度下兩種散熱器翅片頂部的溫度差別Tab·4 The temperature difference in two kinds of toPradiator fin under different heat flux density

圖10 散熱器2熱擴(kuò)散板平均溫度Fig·10 Thermal diffusion plate average temperature with radiator 2

由表4和圖11也可以比較出兩種散熱器的散熱效果。表4給出了不同熱流密度下，兩種散熱器底板與翅頂端的溫差?？梢钥闯鲈谙嗤瑹崃髅芏认?，散熱器1翅片的平均溫度均高于散熱器2；并且隨著熱流密度的增大，溫差也越來越大。說明散熱器2底板面積雖然減小了，但通過采取強(qiáng)化換熱措施，便能顯著提高散熱效果。

圖11 兩種散熱器熱流密度與翅片頂部平均溫度的關(guān)系Fig·11 The relation between the heat flux and the average temperature in two kinds of radiator toPfin

4 結(jié)論

本文以研究計(jì)算機(jī)大型服務(wù)器高熱流密度芯片的強(qiáng)化散熱為目的，對一種熱管冷凝段采取強(qiáng)化換熱措施的散熱器結(jié)構(gòu)進(jìn)行了數(shù)值模擬研究，同時(shí)與平板式熱管散熱器的散熱效果進(jìn)行了對比，經(jīng)過分析總結(jié)得出:

1)采用強(qiáng)化換熱理論與方法，將分立式熱管嵌入散熱器底板，并將熱管的冷凝段嵌入翅片，與相同尺寸的平板式熱管散熱器相比較，散熱器的底板面積減小了1/2。而且散熱底板面積的減小，有利于提高其均溫性，同時(shí)相對較小的散熱底板更符合大型計(jì)算機(jī)服務(wù)器空間安裝尺度的要求。

2)通過數(shù)值模擬計(jì)算以及實(shí)驗(yàn)，證明本文提出的散熱器的散熱效果優(yōu)于平板式熱管散熱器。數(shù)值計(jì)算結(jié)果表明:該散熱器熱管本體和翅片的溫度分布，在相同位置的模擬值與實(shí)驗(yàn)測試值吻合較好，誤差在0.1%～0.5%范圍內(nèi)。

3)在熱流密度為24.3 W/cm2和44.3 W/cm2時(shí)，兩散熱器熱擴(kuò)散板平均溫度的模擬值和實(shí)驗(yàn)值較為接近；熱流密度為68.6 W/cm2時(shí)模擬值與實(shí)驗(yàn)值的誤差也僅為7%，說明數(shù)值計(jì)算結(jié)果可信。

4)在相同的工況條件下，熱流密度由24.3 W/ cm2增至68.6 W/cm2，平板式熱管散熱器的翅頂平均溫度增幅為37%，而新型散熱器翅頂平均溫度增幅僅為17%。

本文受天津市應(yīng)用基礎(chǔ)與前沿技術(shù)研究重點(diǎn)計(jì)劃項(xiàng)目(13JCZDJC27300)資助。(The project was supported by the Tianjin Application Base and Research in Cutting-edge Technologies Focus on Planning(No.13JCZDJC27300).)

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About the corresponding author

Zhu Kai，male，Ph.D./lecturer，Department of Refrigeration，Tianjin University of Commerce，＋86 22-26684065，E-mail: zhukai210＠tju.edu.cn.Research fields:heat and mass transfer and strengthening process.

Numerical Simulation and Experimental Study on ChiPRadiator with Enhanced Heat Transfer Structure

Zhu Kai Wang Huafeng Wang Jianhui Zhang Mi Yang Yang
(Tianjin University of Commerce，Tianjin Key Laboratory of Refrigeration，Tianjin，300134，China)

The heat dissipation of super or large computer server CPU has become the bottleneck for the developmentof high performance computer，therefore the cooling of super or large computer server attractedmore andmore attention.This paper proposesAtype of radiator for cooling of computer server chip，in which heat pipe which is embedded in the radiator base plate is assembled with fin asAwhole.A test bench was built，and the performance of the plate type heatpipe radiator and the proposed radiatorwas compared experimentally.The temperature distribution of the heat pipe body，the fin and the uniformtemperature board was simulated numerically.The heat transfer in the condensing section in the proposed radiator is enhanced，so the floor area of the proposed radiator is reduced 50%compared with the plate type heat pipe radiator，and the proposed radiator hasAbetter temperature uniformity.Under the same conditions，the average temperature of the toPradiator fin is only increased 17%when the heat flux is increased from24.3W/cm2to 68.6W/cm2.

chiPcooling；heat transfer enhancement；chiPradiator；numerical simulation

TB657.5；TK172

A

0253－4339(2015)02－0046－06

10.3969/j.issn.0253－4339.2015.02.046

簡介

諸凱，男，博士，教授，天津商業(yè)大學(xué)制冷系，(022)26684065，E-mail:zhukai210＠tju.edu.cn。研究方向:熱質(zhì)傳遞過程及強(qiáng)化傳熱技術(shù)。

2014年7月5日