翅柱式水冷CPU芯片散熱器冷卻與流動性能

王彬，諸凱，王雅博，劉圣春，魏杰

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翅柱式水冷CPU芯片散熱器冷卻與流動性能

王彬，諸凱，王雅博，劉圣春，魏杰

（天津商業(yè)大學(xué)天津市制冷技術(shù)重點實驗室，天津 300134）

如何在增強散熱效果的同時降低阻力損失已成為解決中央處理器（CPU）芯片水冷散熱問題的關(guān)鍵。本文從翅柱數(shù)量、分布、結(jié)構(gòu)以及冷卻流體進出口方式等方面對3種水冷散熱器進行實驗研究，分別在控制冷卻流體流量和熱流密度的條件下比較不同翅柱結(jié)構(gòu)的壓力損失、芯片溫度及散熱器熱阻，得知散熱器四角帶有導(dǎo)流結(jié)構(gòu)以及水滴形翅柱結(jié)構(gòu)的散熱器在熱流密度為80W/cm2、流量為20mL/s時，芯片溫度分別為65.5℃和55.5℃，其熱阻分別為0.19K/W和0.14K/W，散熱性能均優(yōu)于傳統(tǒng)圓柱形翅柱散熱器。在流量為60mL/s時，圓柱形翅柱散熱器四角設(shè)置導(dǎo)流板及水滴形翅柱結(jié)構(gòu)散熱器的進出口壓力損失分別為34kPa和32kPa，壓力損失均小于傳統(tǒng)圓柱形翅柱散熱器。實驗表明在圓柱形翅柱散熱器的四角設(shè)置導(dǎo)流板，或者改變翅柱形狀為水滴形，不僅可強化對流換熱，而且可降低流動阻力。

傳熱；對流；流體力學(xué)；水冷散熱器；熱阻

隨著計算性能的不斷提高，中央處理器（CPU）芯片的能耗及產(chǎn)生的熱量也越來越大，芯片的散熱成為當今大型或超級計算機行業(yè)最為關(guān)注的問題。常規(guī)的風冷散熱技術(shù)相對比較成熟，但是高熱流密度芯片風冷散熱所帶來的風機耗能劇增以及噪聲問題，已嚴重阻礙了計算機性能的提高。研究表明，換熱系數(shù)與風速關(guān)系為0.8，壓力損失與風速的關(guān)系為Δ2，產(chǎn)生的噪聲與風速的關(guān)系為5，這將無法滿足高性能計算機發(fā)展的要求[1]。

風冷散熱方式不僅能耗較大，而且逐漸難以滿足大型計算機服務(wù)器芯片的冷卻要求[2]。目前電子芯片的散熱量已達到60～90W/cm2，芯片局部熱點的熱流密度已達到200W/cm2[3-4]，而水冷散熱器具有很高的散熱性能。水冷散熱器的結(jié)構(gòu)一般是在冷卻流體通道內(nèi)設(shè)置一定數(shù)量的翅柱陣列，以增強流體的擾動。一些學(xué)者對水冷散熱器內(nèi)部結(jié)構(gòu)對散熱特性的影響進行了大量的研究。牛永紅等[5]建立了3種結(jié)構(gòu)的水冷散熱器的三維物理模型，進行了冷卻水流動與傳熱的數(shù)值模擬計算，認為翅柱式結(jié)構(gòu)散熱器的散熱效果較好，但該散熱器出入口之間壓力降也較大。夏國棟等[6]對以無氧銅為材料、以水為冷卻流體的微通道熱沉進行了優(yōu)化設(shè)計。通過對岐管式微通道熱沉結(jié)構(gòu)的三維優(yōu)化計算，得出散熱器通道長度、翅片厚度、進出口寬度影響進出口壓差及散熱效果，底板溫度的最高點出現(xiàn)在通道出口區(qū)域。崔卓等[7]研究了兩種水冷散熱器在熱流密度為10～30W/cm2時的散熱性能，得到優(yōu)化后的散熱器具有較好的散熱性能。并且冷卻水進口位于散熱器中心處，散熱器底板溫度不均勻性有所改善。LIU等[8]對噴射流冷卻系統(tǒng)下的3種不同微結(jié)構(gòu)散熱器進行了數(shù)值計算，結(jié)果表明具有單一入口和兩個出口的微噴裝置的散熱器可以達到更好的冷卻性能，并且采用優(yōu)化后的微射流冷卻結(jié)構(gòu)溫度可以降低23K。ZHAO等[9]研究了不同針翅分布和針翅角度的微方針翅散熱器的流動和散熱特征，得出的結(jié)論是針翅孔隙率對散熱效果的影響比針翅角度的影響大，在針翅孔隙率為0.75、針翅角度為30°時，具有更好的冷卻能力。NDAO等[10]給出了不同翅柱結(jié)構(gòu)散熱器以R134a為工質(zhì)在單相沖擊射流下的傳熱系數(shù)，在8000＜＜80000時，圓柱形和方形翅柱結(jié)構(gòu)散熱器的傳熱系數(shù)最大。

性能較高的散熱器其冷卻流體進出口的壓差不可太大，并且可以將芯片冷卻到85℃以下[11]。壓差增大意味著輸送冷卻流體的泵功也要升高，消耗更多的能量，而且提高流速對高熱流密度芯片的冷卻的作用有限，關(guān)鍵仍然在于散熱器內(nèi)部的結(jié)構(gòu)及流動方式的優(yōu)化。目前許多散熱器采用流體從散熱器一端進入橫掠翅柱從另一端流出的進出結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致靠近冷卻流體入口處的散熱較好，出口處散熱較差，整體表現(xiàn)為散熱不均勻，芯片局部溫度高。針對上述問題，本文對傳統(tǒng)圓柱形翅柱散熱器進行優(yōu)化改進，設(shè)計了水滴形翅柱散熱器，實驗已證明圓柱形翅柱散熱器四角設(shè)置導(dǎo)流板具有良好的散熱能力[7]，因此通過實驗對比分析這3種散熱器的散熱性能和流動性能。

1 實驗裝置及實驗系統(tǒng)

1.1 水冷散熱器

圖1翅柱為圓柱形，這種散熱器目前應(yīng)用較多，作為改進和對比對象；圖2散熱器為圓柱形翅柱，陣列四角帶導(dǎo)流板，作為對比對象；圖3為水滴形散熱器。為了敘述方便，將3種水冷散熱器依次稱之為A型、B型和C型。A型和B型散熱器翅柱陣列分布在八邊形區(qū)域內(nèi)，不同的是B型散熱器四角設(shè)置導(dǎo)流板且增加了針柱的數(shù)量。C型的翅柱陣列主要分布在圓形區(qū)域，在散熱器的四角布置一定數(shù)量的水滴形翅柱。

圖4～圖6為散熱器頂蓋結(jié)構(gòu)圖，分別命名為L-1型、L-2型和L-3型。進水口位于頂蓋中心，出口位于對角線上，進出口距離均為20mm。L-3型為兩層頂蓋設(shè)計，進水口位于頂蓋中心，在下層頂蓋的四角各設(shè)置一個出口，冷卻水首先在下層頂蓋空腔中匯合，然后從上層頂蓋的出口流出。A型散熱器采用L-1型頂蓋；C型散熱器設(shè)計采用L-2型；B型散熱器采用雙層頂蓋結(jié)構(gòu)[7]。同時，又對B型散熱器采用L-2型單層頂蓋的散熱及流動性能進行實驗研究。下文如無特別說明，B型散熱器是指采用雙層頂蓋結(jié)構(gòu)。

圖2 圓柱形翅柱加導(dǎo)流板（B型）

圖3 水滴形翅柱散熱器（C型）

3種水冷散熱器底板的尺寸均為50mm×50mm，其他參數(shù)如表1。為了進行可視化研究，將散熱器上部的頂蓋采用石英玻璃蓋替換，翅柱上部留有空間以保證翅柱陣列完全被冷卻流體浸沒，使其充分換熱。流體從散熱器的中心進入，從一個端口流出，即流體從中心向四周輻射流出，可使得散熱器各部位換熱均勻，避免出現(xiàn)進出口兩端溫差較大的 情況。

表1 水冷散熱器主要參數(shù)

注：散熱器總高度為底板厚度、翅柱及散熱器蓋高度之和。

1.2 水冷散熱系統(tǒng)

實驗裝置原理如圖7所示。實驗系統(tǒng)由冷卻水系統(tǒng)和散熱系統(tǒng)組成。冷卻水系統(tǒng)包括水泵、調(diào)節(jié)閥、冷卻器以及水箱等。散熱系統(tǒng)由直流加熱電源、硅加熱片、工字形銅柱以及水冷散熱器組成。銅柱為方形，頂部作為（模擬）CPU芯片，尺寸為21mm×21mm，銅柱下方設(shè)有硅加熱片通過對銅柱進行加熱模擬CPU熱源。模擬芯片與水冷散熱器緊固，芯片與散熱器之間的熱結(jié)合層采用碳纖維膜，其導(dǎo)熱系數(shù)為50 W/(m·K)，可有效降低芯片與散熱器之間的接觸熱阻。該材質(zhì)制地柔軟、熔點低，可改善熱應(yīng)力效果。同時，為了減少熱量在銅柱中的散失，用熱絕緣材料將銅柱進行保溫。

冷卻流體為去離子水，冷卻水進口溫度為25℃±0.5℃。冷卻水從水箱經(jīng)水泵輸送至散熱器腔內(nèi)，沖刷翅柱陣列及散熱器底板，帶走芯片散出的熱量。溫度升高的冷卻水通過冷卻器冷卻回到水箱，進行再循環(huán)。

1—儲水箱；2—液體泵；3—調(diào)節(jié)閥；4—冷卻器；5—直流電源； 6—硅加熱片；7—模擬芯片；8—水冷散熱器

銅柱內(nèi)埋有熱電偶（T3、T4），通過這兩點溫度的測量，用傅里葉定律計算出芯片的熱流密度。（模擬）CPU中心埋有熱電偶T2，散熱器底板埋有熱電偶T1。在散熱器進出口處設(shè)置溫度測點T5、T6。均采用0.1mm T型熱電偶測量各測點溫度，采用差壓變送器測量散熱器進出口流體的壓差，由數(shù)據(jù)采集儀采集壓力、溫度值。通過測量一段時間內(nèi)流出的冷卻水體積來計算出冷卻水流量及流速。熱電偶經(jīng)過單獨標定，溫度誤差為±0.05℃。

1.3 誤差分析

由于測量儀器和人為觀察等方面的原因，實驗數(shù)據(jù)會存在一些誤差。實驗誤差主要包括系統(tǒng)誤差和隨機誤差[7,12]。其中系統(tǒng)誤差B由測量儀表的精度決定，隨機誤差S為測量數(shù)據(jù)的標 準差，選取10組樣本來計算實驗數(shù)據(jù)的標準差，即，則總誤差為。通過誤差傳遞方法[12-13]計算實驗中涉及到的熱阻和泵功等間接計算量的誤差。例如某一參數(shù)為關(guān)于個獨立測量值的函數(shù)=(1，2，…，x)±，則此參數(shù)的誤差為。通過以上計算，可得到各參數(shù)的最大相對誤差，如表2所示。

表2 實驗參數(shù)誤差

2 實驗結(jié)果及分析

在相同工況條件下，通過對比芯片平均溫度及散熱器熱阻來比較其冷卻性能，對比散熱器進出口冷卻水的壓差來比較其流動性能。

2.1 散熱器的冷卻性能

方形銅柱的高度相對于截面大很多，在較高的加熱功率下通過紅外熱像儀實驗測定，銅柱橫向截面的溫度場非常均勻，說明對銅柱的加熱可視為沿高度方向的一維導(dǎo)熱。并且直接讀取直流電源（對硅加熱片）顯示的加熱功率并不代表芯片的真實熱流密度，所以可通過T3、T4兩點溫度的測量，用傅里葉定律計算出芯片的實際熱流密度。通過調(diào)節(jié)加熱功率使得芯片的熱流密度為30～80W/cm2。實驗中液體泵為直流供電水泵，通過調(diào)節(jié)泵功率來控制冷卻水流量。通過控制流量和熱流密度，實驗測得芯片、散熱器底板及冷卻水進出口溫度。

圖8～圖11分別表示3種散熱器芯片平均溫度隨熱流密度的變化關(guān)系。從圖中可以看出，芯片溫度隨熱流密度的增加而巨幅攀升，冷卻水流量的增大使芯片溫度的降低幅度較平緩。在流量從10mL/s增加到40mL/s時，溫度下降幅度明顯。當流量大于40mL/s時，A型散熱器，增加流量對芯片溫度的降低幾乎沒有作用；B型和C型散熱器，流量增加，芯片溫度仍可降低。同時可以看出，在冷卻水進口溫度為25℃、流量為60mL/s、熱流密度為70W/cm2時，A型、B型和C型散熱器的芯片溫度分別為90.8℃、43.5℃、46.1℃，B型和C型散熱器芯的片溫度分別比A型降低了52.1%和49.2%，而A型散熱器的芯片溫度已超出正常溫度范圍；對于B型散熱器，采用單層頂蓋的芯片溫度為53.1℃，可以看出采用雙層頂蓋時散熱性能更好，主要原因是四角均設(shè)置出水口使得散熱均勻充分。此外，當熱流密度升高到80W/cm2、流量僅為20mL/s時，后兩種散熱器的芯片也能工作在70℃以下。如果單從芯片溫度考慮，B型和C型均優(yōu)于A型，同時B型比C型散熱效果略優(yōu)4%；而當B型采用單層頂蓋時，C型優(yōu)于B型7.7%。

圖11 C型散熱器中芯片溫度與熱流密度關(guān)系

由于芯片溫度受到冷卻水溫度的影響，但是在相同的溫度下，判斷水冷散熱器的優(yōu)劣，還應(yīng)該從散熱器熱阻的角度比較其散熱性能的差別。熱阻t表達式[14-15]為式(1)。

式中，為熱流量，W；base為散熱器底板最高溫度，K；in為冷卻水進口溫度，K。

圖12表示在熱流密度為50W/cm2時，3種散熱器的熱阻與冷卻水流量的關(guān)系。圖13表示在流量為20mL/s時，B型和C型熱阻與熱流密度的關(guān)系?？梢钥闯?，熱阻隨冷卻水流量的增加小幅降低，而熱流密度的增加使得熱阻略微升高。而且，A型散熱器的熱阻遠大于后兩種，例如流量為60mL/s，3種散熱器的熱阻分別為0.33K/W、0.095K/W、0.11K/W；B型采用單層頂蓋時，其熱阻為0.13K/W?？梢缘贸鏊涡紊崞鳠嶙璞葌鹘y(tǒng)圓柱形降低66.7%。從熱阻方面考慮，B型比C型略優(yōu)5%；當B型采用單層頂蓋時，C型優(yōu)于B型7%。

通過芯片溫度和熱阻兩個指標比較，B型、C型兩種散熱器均明顯優(yōu)于A型，并且B型略優(yōu)于C型型散熱器。其原因在于，A型翅柱數(shù)量較少，對冷卻水的擾流不充分，換熱面積也相對較小。而B型、C型散熱器的翅柱占據(jù)的面積相對較大，翅柱數(shù)量也相對較多，使得換熱更充分，同時增加了對流換熱面積，從而提高了冷卻性能。但如果B型散熱器采用單層頂蓋設(shè)計，其散熱性能又低于C型，主要因為采用雙蓋時，B型散熱器四角的導(dǎo)流板配合4個出水口縮短流程，使得散熱更加均勻；采用單層頂蓋時，B型的導(dǎo)流結(jié)構(gòu)沒有起到應(yīng)有作用，反而導(dǎo)致其散熱性能降低。

2.2 散熱器的流動性能

壓差測量示意如圖14所示，壓力測點布置在距離散熱器進出口20cm處。壓差由冷卻水流經(jīng)管道的阻力損失、流經(jīng)散熱器上蓋的阻力損失及散熱器翅柱對冷卻水的擾流阻力損失組成，見式(2)。

ΔΔlΔcΔr(2)

式中，Δ總壓差，kPa；Δl為冷卻水流經(jīng)管道的壓差，kPa；Δc為冷卻水流經(jīng)散熱器上蓋的壓差，kPa；Δr為冷卻水沖刷翅柱的壓差，kPa。

圖15顯示出散熱器進、出口壓降隨冷卻水流量的變化關(guān)系。從圖15中可以看出，對于3種散熱器，壓降均隨冷卻水流量呈拋物線增加，其中，A型壓降最大，B型、C型兩種散熱器壓降相差較小。隨著流量的增加，A型與B型、C型的差值逐漸增大，在流量為60mL/s時，A型壓降達到53kPa，C型壓降為32kPa，C型相對于A型降低了39.6%。雖然A型散熱器的翅柱較少，但是由于其進出水口管徑較小，并且C型散熱器水滴形翅柱減小了渦旋運動的影響，因此C型的阻力較小。對比B型和C型，B型的壓降為34kPa，略高于C型，主要因為雙層頂蓋增加了局部阻力損失；當均采用L-2型單層頂蓋時，B型的壓降為30 kPa，C型的壓降比較大，主要是由于C型散熱器翅柱分布更密集。

圖16表示在熱流密度為60W/cm2時，芯片溫度及泵功與流量的關(guān)系。由圖16得出，A型散熱器在高熱流密度下不僅芯片溫度較高，而且泵功消耗最大；對于B型，雖然溫度最低，但是泵功高于C型；而采用單層頂蓋時，B型的功耗最小，但其溫度又高于C型。同時可以看出在流量為30mL/s時，水滴形散熱器表現(xiàn)出良好的散熱性能和流動性能，此時B型和C型兩種散熱器的芯片溫度及泵功分別為43.6℃、4.4W及46.2℃、4W。當B型采用單層頂蓋時，溫度及泵功為53.5℃、3.8W?？梢钥闯?，水滴形散熱器的散熱性能低于B型，但其消耗的泵功小于B型。

3 結(jié)論

本文旨在通過對水冷散熱器結(jié)構(gòu)的重新設(shè)計使芯片散熱效率得到提高，為此將水滴形散熱器與傳統(tǒng)圓柱形及散熱性能較好的四角設(shè)置導(dǎo)流板的圓柱形散熱器進行了對比實驗研究，得出以下結(jié)論。

（1）從冷卻性能方面考慮，C型散熱器明顯優(yōu)于A型，而B型優(yōu)于C型4%。在流量為60mL/s、熱流密度為70W/cm2，C型芯片溫度較A型降低49.2%，并且此時A型所對應(yīng)的芯片溫度已超過正常工作溫度；在熱流密度為50W/cm2時，3種散熱器的熱阻分別為0.33K/W、0.095K/W、0.11K/W。但當B型采用單層頂蓋時，其熱阻為0.13K/W，此時C型優(yōu)于B型7%。

（2）從流動性能方面考慮，3種散熱器在流量較小時壓降相差較小，但是隨著流量的增大，B型與C型的流動阻力明顯優(yōu)于A型。在流量為60mL/s時，與A型散熱器比較，C型的壓降降低39.6%，此時B型的壓降比C型高5%。但當B型采用單層頂蓋時，其壓降又低于C型約3.8%。

（3）在冷卻和流動性能方面，C型優(yōu)于A型；B型在冷卻性能方面優(yōu)于C型，但流動性能比C型稍差；而如果B型采用單層頂蓋時，其流動性能又略優(yōu)于C型，但散熱性能下降10.6%。綜合來看B型和C型均具有良好的性能，哪一種更適合要視具體情況而定。在相同的外形體積條件下，B型散熱器的工藝難度以及加工成本相對比C型要高，所以采用哪種類型要根據(jù)用戶的側(cè)重點來選擇。

符號說明

ΔP——總壓差，kPa ΔPl——冷卻水流經(jīng)管道的壓差，kPa ΔPc——冷卻水流經(jīng)散熱器上蓋的壓差，kPa ΔPr——冷卻水沖上翅柱的壓差，kPa Q——熱流量，W Rt——散熱器總熱阻，K/W Tbase——散熱器底板最高溫度，K Tin——冷卻水進口溫度，K V——冷卻水流量，mL/s

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Experimental study on cooling and flow performance of water-cooling radiator with different pin-fins structures for CPU cooling

WANG Bin，ZHU Kai，WANG Yabo，LIU Shengchun，WEI Jie

（Tianjin Key Laboratory of Refrigeration Technology，Tianjin University of Commerce，Tianjin 300134，China）

Heat dissipation performance and flow resistance of the traditional circular pin-fins radiator，the cylindrical column fins radiator with fluid guide plates at four corners and hydrofoil pin-fins radiator were studied by changing heat flux and cooling water flow. The pressure drop，chip temperature and thermal resistance of three radiators were measured under the same conditions. The results showed that the chip temperature of the radiator with fluid guide plates at four corners and hydrofoil pin-fins radiator are 65.5℃ and 55.5℃，respectively. The thermal resistance are 0.19K/W and 0.14K/W，respectively at heat flux of 80W/cm2and flow rate of 20mL/s. The heat dissipation performance is better than traditional circular pin-fins radiator. At 60mL/s，the pressure drop of the cylindrical column fins radiator with fluid guide plates at four corners and hydrofoil pin-fins are 34kPa and 32kPa，respectively，which is less than traditional circular pin-fins radiator. Compared with the traditional one，the cylindrical column fins radiator with fluid guide plates at four corners and hydrofoil pin-fins radiator have better heat dissipation performance and smaller pressure drop.

heat transfer；convection；fluid mechanics；water-cooling radiator；thermal resistance

TK172

A

1000–6613（2017）06–2031–07

10.16085/j.issn.1000-6613.2017.06.009

2016-10-31；

2017-03-06。

國家自然科學(xué)基金項目（51376137）。

王彬（1991—），男，碩士研究生，研究方向為強化傳熱。E-mail：wangbinxlp@126.com。聯(lián)系人：諸凱，教授，博士生導(dǎo)師，研究方向為強化傳熱傳質(zhì)。E-mail：zhukai210@tju.edu.cn。