一種計算機CPU被動式散熱器的設計、仿真與實驗研究

摘 要：針對當前高功率CPU靜音散熱需求，提出了一種新型被動式散熱器.應用數(shù)值仿真與實驗驗證的方式對該散熱器在不同加熱功率下的溫度、啟動性能、熱阻進行了研究.仿真結(jié)果表明：在120 W加熱條件下，該散熱器溫度分布均勻，波動較小，最高溫度僅為64.00 ℃，啟動時間在900 s左右，平均接觸熱阻處在0.01～0.2 ℃/W之間.實驗結(jié)果表明：在120 W加熱條件下，該散熱器最高溫度僅為68.28 ℃，啟動時間在900 s左右，平均接觸熱阻僅為0.11 ℃/W，滿足計算機CPU在該功率下正常運行需求.

關(guān)鍵詞：被動散熱； 傳熱； 熱阻； 熱管； 計算機模擬； 芯片

中圖分類號：TK124

文獻標志碼： A

Design，simulation and experimental study of a passive heat sink for computer CPU

WANG Wen-bo， SHANG Xiao-biao*， FAN Hui-li， WANG Xian-feng， ZHANG Qun

（Faculty of Mechanical and Electrical Engineering， Kunming University of Science and Technology， Kunming 650500， China）

Abstract：A new type of passive heat sink is proposed to address the current demand for silent heat dissipation in high-power CPUs.The temperature，start-up performance，and thermal resistance of the heat sink under different heating powers were studied through numerical simulation and experimental verification.The simulation results show that under 120 W heating conditions，the temperature distribution of the radiator is uniform，with small fluctuations.The maximum temperature is only 64.00 ℃，the startup time is about 900s，and the average contact thermal resistance is between 0.01～0.2 ℃/W.The experimental results show that under 120 W heating conditions，the maximum temperature of the heat sink is only 68.28 ℃，the startup time is about 900s，and the average contact thermal resistance is only 0.11 ℃/W，meeting the normal operation requirements of the computer CPU at this power.

Key words：passive heat dissipation; heat transfer; thermal resistance; heat pipe; computer simulation; chip

0 引言

當前，對個人計算機中CPU散熱器的研究主要集中在風冷和水冷方向，而對被動式散熱器的研究則較少.對于有靜音需要的人群來說，有必要研發(fā)散熱能力更強的被動式散熱器［1］.

為降低被動式散熱器的體積且提高其散熱能力，使用熱管這一具有高導熱系數(shù)的傳熱元件來提高被動式散熱器解熱能力.熱管作為一種導熱系數(shù)極高的傳熱元件，在散熱領(lǐng)域具有廣泛的應用.尤其是進入21世紀以來，隨著電子芯片功率的不斷增強，熱管以極高的導熱系數(shù)、可靠的性能而普遍應用在個人計算機CPU的散熱系統(tǒng)中.董梁等［2］針對電子設備的散熱問題，提出了一種異形整體熱管散熱器，在不同工況下對該散熱器進行了實驗研究并驗證了其傳熱能力，結(jié)果表明：相比于傳統(tǒng)熱管散熱器，該型散熱器的熱阻降低了37%，傳熱效率提高了15%.Yu E等［3］設計了一種蒸發(fā)段帶有螺紋的銅質(zhì)重力熱管，并在自然對流條件下對其進行了實驗研究，結(jié)果表明：帶有螺紋蒸發(fā)器的重力熱管能有效的應用于高功率電子芯片的自然散熱.Zhou等［4］提出了一種新型電子芯片熱管散熱器，并對其在不同加熱功率、充液率、傾斜角條件下進行了實驗研究，結(jié)果表明：熱管的高導熱性能有效降低散熱器的熱阻.梁靈嬌等［5］為解決高熱通量電子設備散熱問題，設計了一套平板環(huán)路重力熱管，并研究了其在不同工作條件下的傳熱性能，結(jié)果表明：該平板熱管能有效保證電子設備工作溫度不超過60 ℃，且具有良好的均溫性能.諸凱等［6］提出了一種重力式熱管散熱器，對其在不同風速、熱流密度條件下進行了實驗研究，結(jié)果表明：使用該散熱器的CPU芯片工作溫度能保持在正常工作范圍，且散熱器總熱阻僅為0.118 K/W.

雖然已經(jīng)有許多學者對被動式散熱器進行了大量研究，但研究主要集中在低功率電子芯片的被動式散熱上，對于發(fā)熱功率100 W以上的電子芯片的被動散熱，相關(guān)研究還較少［7，8］.本文從熱管具有高導熱性這一特性出發(fā)，提出了一種新型被動式計算機CPU散熱器，并使用CFD軟件Icepak對該散熱器進行了數(shù)值模擬分析.在數(shù)值模擬結(jié)果的基礎(chǔ)上，搭建了被動散熱實驗臺，對該散熱器的溫度分布、啟動性能及組件間接觸熱阻等方面進行了研究分析.

1 散熱器數(shù)值模擬

1.1 物理模型

圖1所示為本文所設計的CPU被動式熱管散熱器整體結(jié)構(gòu).為增加空氣對流強度和減輕重量，散熱鰭片上鉆有圓孔，均勻分布在鰭片上下兩邊.熱管蒸發(fā)段與銅質(zhì)基板連接，芯片通過基板將熱量傳遞至熱管，再由熱管將熱量傳導至散熱鰭片.在基板與散熱鰭片之間設置有支撐板，該支撐板與熱管蒸發(fā)段相接觸，可在支撐散熱鰭片的同時起到導熱的作用.

由于機箱尺寸和內(nèi)存條等器件的限制，散熱器整體尺寸設計為長170 mm，高160 mm，寬120 mm，使用設置于散熱器底部的40*40*5 mm的長方體純銅塊模擬電子芯片.散熱器具體參數(shù)如表1所示.

1.2 數(shù)學模型

1.2.1 邊界條件

仿真計算采用Icepak軟件進行，基于三維流固耦合進行數(shù)值模擬，數(shù)值計算分析中使用以下基本假設［8］：

（1）輻射換熱模型使用DO模型，即離散坐標輻射換熱模型；

（2）固體壁面無滑移；

（3）將空氣近似為不可壓縮流體，采用bosussinesq假設，外部空氣域的六個面均為開放邊界；

（4）假設材料的導熱系數(shù)為常數(shù)，即假定材料的導熱系數(shù)不隨散熱器的溫度變化而變化；

（5）將熱管簡化為一根導熱系數(shù)極高的固體棒.

本仿真通過調(diào)用Fluent作為求解器進行計算，采用有限體積法對計算區(qū)域進行離散化.連續(xù)性方程、動量方程、能量方程均采用二階迎風格式.計算精度采用雙精度.環(huán)境溫度為24 ℃.環(huán)境壓力為101.325 kPa.當計算中所有的控制方程均收斂到10-6時，認為滿足計算收斂標準.開啟Y方向重力，重力加速度設置為-9.8 m/s2.

由于需要研究散熱器的溫度分布及啟動性能，因此本仿真進行了穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)計算.

1.2.2 控制方程

Icepak采用有限體積法對計算區(qū)域進行離散化，將整個計算區(qū)域離散為有限個單元，這些通過離散化得到的單元便可用來近似代替各個連續(xù)的物理量，再使用連續(xù)性方程、動量守恒方程和能量守恒方程將這些離散物理量相聯(lián)系，最后通過不斷的迭代計算來求解整個計算域的溫度、速度等值［9］.本仿真所涉及的控制方程表達式如下［10，11］：

連續(xù)性方程：

ux+vy+wz=0

（1）

動量守恒方程：

x方向：

ρ（uux+vuy+wuz）=

-px+η（2ux2+2uy2+2uz2）

（2）

y方向：

ρ（uvx+vvy+wvz）=

-px+η（2vx2+2vy2+2vz2）

（3）

z方向：

ρ（uwx+vwy+wwz）=

-px+η（2wx2+2wy2+2wz2）

（4）

能量守恒方程：

ρ（uTx+vTy+wTz）=

λ（2Tx2+2Ty2+2Tz2）

（5）

式（1）～（5）中：u、v、w分別為空氣流速在x、y、z軸方向上的3個速度分量；p為壓力；T為溫度.

1.3 散熱器各組件材料屬性設置

表2為散熱器各組件的材料屬性.

將熱管等效為一根具有極高導熱系數(shù)的固體棒，其等效導熱系數(shù)由式（6）～（8）計算得到［12-14］.通過計算，該散熱器所使用熱管的等效導熱系數(shù)約為6 545 W/（m·℃）.

λeff=

4L2d2o1/lndodi2e+λedie+λcdie+lndodi2cλ

（6）

e=Q2πdoLeΔT

（7）

c=Q2πdoLcΔT

（8）

式（6）～（8）中：L為熱管總長度，m；do為熱管外徑，m；di為熱管內(nèi)徑，m；e為熱管蒸發(fā)段與熱管總長度的比值；c為熱管冷凝段與熱管總長度的比值；λ為熱管管材導熱系數(shù)，W/（m·℃）；e為熱管蒸發(fā)段對流換熱系數(shù)，W/（m2·℃）；c為熱管冷凝段對流換熱系數(shù)，W/（m2·℃）.

1.4 網(wǎng)格無關(guān)性驗證

使用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格對散熱器進行網(wǎng)格劃分.為降低網(wǎng)格數(shù)量對數(shù)值計算結(jié)果的影響，分別使用不同網(wǎng)格數(shù)量對散熱器的溫度進行了仿真計算，計算結(jié)果如圖2所示.由圖可得，當網(wǎng)格數(shù)量達到449萬時，散熱器最高溫度、最低溫度趨于穩(wěn)定，基本保持不變，因此后續(xù)仿真計算中網(wǎng)格數(shù)量均取449萬進行計算.

2 仿真結(jié)果與分析

2.1 被動式散熱器溫度分布云圖和速度分布云圖

圖3為不同加熱功率條件下該散熱器的自然對流仿真溫度分布云圖.從圖中可得，當加熱功率低于60 W時，散熱器各部分溫差較小，均為不超過10 ℃，且在加熱功率為20 W時，最高溫度僅為33.30 ℃，當加熱功率提高至60 W時，散熱器最高溫度僅為46.33 ℃，可見，在低功率條件下該散熱器完全滿足CPU散熱需要.

當繼續(xù)提高加熱功率時，散熱器溫度繼續(xù)上升，此時散熱器各組件間溫差加大，熱量產(chǎn)生聚集現(xiàn)象，且熱量主要累計在模擬熱源和散熱器基板中.這是因為在散熱器基板和模擬熱源間填充有導熱硅脂，使得兩者間熱阻極小，因而熱量能迅速從熱源傳導至基板，但由于基板與熱管間存在較高的接觸熱阻，因而熱量不能立刻從基板傳遞至散熱鰭片，從而致使熱量積累.當加熱功率提升至最高，即120 W時，散熱器溫度達到最高為64.00 ℃，此時散熱器最低溫度為47.44 ℃，散熱器上下溫差達到16.56 ℃.

從整體上看，在不同加熱功率下，散熱器溫度以中部鰭片為對稱面對稱分布，溫度分布較均勻，位于散熱器中部的散熱鰭片由于受到周圍鰭片的影響，溫度較高；位于散熱器邊緣的鰭片由于與外界空氣域接觸面較大，散熱效果更強，因此溫度較低.此外，從溫度分布圖可以看出，位于基板和散熱鰭片之間的支撐板對于散熱亦有較大作用，有部分熱量直接從熱管的蒸發(fā)段傳導至支撐板，且由于支撐板與熱管直接接觸，導致支撐板與熱管相接觸一端溫度較高，在不同的加熱功率下其溫度均接近所接觸熱管蒸發(fā)段的溫度.

圖4所示為不同加熱功率條件下該散熱器的自然對流仿真流體速度分布云圖.由圖可知，隨著加熱功率的提升，散熱器溫度持續(xù)提高，致使散熱器附近流體溫度逐漸升高，流體密度因而降低，從而使流體由于上下密度差出現(xiàn)流動.當加熱功率較低時，散熱器周圍流體流速較低，當加熱功率達到最高即120 W時，散熱器頂部流體速度達到0.37 m/s.

由于熱量聚集，在不同的功率下，散熱器周圍流體速度均較低，高速流體均從周圍匯流至散熱器頂部位置，并由此向上發(fā)展，該過程中流體速度逐漸增加，并在到達散熱器頂端時速度達到最高.

2.2 被動式散熱器啟動性能

散熱器的啟動性能反映了散熱器進入穩(wěn)定工作狀態(tài)所需要的時間［15，16］.下面給出了在不同加熱功率下模擬熱源溫度、散熱鰭片溫度隨時間變化的溫升曲線.

圖5為模擬熱源在不同加熱功率下隨時間變化的溫升曲線.由圖可知，熱源溫度隨著時間的增加逐漸提高，在不同加熱功率條件下，熱源溫度均呈現(xiàn)為平滑的線性變化，無明顯突變點.在不同加熱功率條件下的啟動過程中，模擬熱源溫度均未出現(xiàn)劇烈波動，這說明該散熱器足以滿足不同功率的CPU正常運行需要.

圖6為散熱器散熱鰭片隨時間變化的溫升曲線.由于熱管冷凝段與散熱鰭片緊密接觸，因此散熱鰭片起到了主要的散熱作用，且位于中部的散熱鰭片整體溫度較高，而位于邊緣位置的散熱鰭片整體溫度較低，兩者平均溫差達到9.09 ℃.這是由于位于中部的散熱鰭片受到兩側(cè)鰭片所散發(fā)出來的熱量的影響，與空氣域接觸較小，導致熱量累積，因此溫度較高.而位于邊緣部位的散熱鰭片與外界空氣接觸域較大，熱量有更多的散發(fā)空間，整體溫度因此更低.

由散熱器各部分溫升曲線可以看出，散熱器各組件的溫度都呈現(xiàn)迅速升高然后逐漸平緩的態(tài)勢，且溫度上升速度和達到穩(wěn)態(tài)后的溫度最大值均會隨著加熱功率的提高而增加.這是因為，在給定加熱功率較低時，熱管蒸發(fā)段內(nèi)部工質(zhì)處在間歇性沸騰狀態(tài)下，沸騰狀態(tài)不穩(wěn)定，致使熱管管壁溫度伴隨著工質(zhì)的間歇性沸騰而出現(xiàn)周期性波動，當加熱功率足夠大時，滿足熱管工質(zhì)的連續(xù)性沸騰要求，因而使得在高加熱功率條件下散熱器所用的啟動時間較少［17］.

2.3 被動式散熱器熱阻分析

熱阻是阻礙熱量傳遞的因素，是衡量散熱器導熱能力的重要參數(shù)［2］.為分析散熱器各部位之間的熱阻，建立了如圖7所示的散熱器熱阻網(wǎng)絡模型.在圖7中，TQ為熱源平均溫度；TJ為基板平均溫度；T1為位于散熱器中部的熱管蒸發(fā)段的平均溫度；T2為位于散熱器中部的熱管冷凝段的平均溫度；T3為位于散熱器邊緣的熱管蒸發(fā)段的平均溫度；T4為位于散熱器邊緣的熱管冷凝段的平均溫度；T5為位于散熱器中部的散熱鰭片的平均溫度；T6為位于散熱器邊緣的散熱鰭片的平均溫度；Ta為散熱器周圍空氣域平均溫度.

一般情況下，以式（9）作為熱阻R的通用計算公式［2］：

R=ΔTQ

（9）

式（9）中：ΔT為散熱器相接觸的兩部分之間的溫差，℃.

為計算散熱器各組件間接觸熱阻，由仿真數(shù)據(jù)可得散熱器各部分在不同加熱功率下達到穩(wěn)態(tài)時的平均溫度，其中環(huán)境溫度Ta設置為24 ℃，如表3所示.

由于模擬熱源與散熱器基板間填充有導熱硅脂，且模擬熱源與基板相接觸兩表面采用銑削方法制得，表面粗糙度較低，故忽略熱源與基板間的熱阻.此外，處于散熱器中部的熱管和散熱鰭片與處于邊緣位置的熱管和散熱鰭片存在溫差，因而處在不同位置的相同組件相互之間的熱阻存在差異.其中，由式（9）可得模擬熱源與散熱器中部熱管蒸發(fā)段之間的接觸熱阻RQ1：

RQ1=TQ-T1Q

（10）

式（10）中：T1為散熱器中部熱管蒸發(fā)段的平均溫度，℃；TQ為模擬熱源在穩(wěn)態(tài)時的中心平均溫度，℃；Q為輸入功率，W.

同理，模擬熱源與散熱器邊緣熱管蒸發(fā)段間的接觸熱阻RQ3可表示為：

RQ3=TQ-T3Q

（11）

式（11）中：T3為散熱器邊緣熱管蒸發(fā)段間的平均溫度，℃.

散熱器中部熱管蒸發(fā)段和冷凝段間的接觸熱阻R12可表示為：

R12=T1-T2Q1

（12）

式（12）中：T2為散熱器中部熱管冷凝段的平均溫度，℃；由于散熱器共使用14根相同規(guī)格的熱管，且輸入功率為Q，假設每根熱管均分Q，則Q1= Q2= Q3=…= Q14= Q/14.

同理，散熱器邊緣熱管蒸發(fā)段與冷凝段間的接觸熱阻R34可表示為：

R34=T3-T4Q1

（13）

式（13）中：T4為散熱器邊緣熱管冷凝段的平均溫度，℃.

散熱器中部熱管冷凝段與散熱器中部散熱鰭片間的接觸熱阻R25可表示為：

R25=T2-T5Q1

（14）

式（14）中：T5為散熱器中部散熱鰭片與中部熱管冷凝段相接觸部分的平均溫度，℃.

同理，散熱器邊緣熱管冷凝段與散熱器邊緣散熱鰭片間的接觸熱阻R46可表示為：

R46=T4-T6Q1

（15）

式（15）中：T6為散熱器邊緣散熱鰭片與邊緣熱管冷凝段相接觸部分的平均溫度，℃.

圖8給出了以上由數(shù)值模擬所得接觸熱阻R在不同加熱功率下的變化情況.由圖可知，隨著加熱功率的提高，散熱器各組件間接觸熱阻逐漸降低，當加熱功率達到120 W時，散熱器平均接觸熱阻僅為0.06 ℃/W左右；由于熱管蒸發(fā)段與散熱器基板緊密接觸，且模擬熱源與基板間填充有導熱硅脂，因此熱源與熱管蒸發(fā)段間接觸熱阻極低，僅為0.02 ℃/W左右.

3 實驗驗證

3.1 實驗系統(tǒng)的建立

為驗證數(shù)值仿真結(jié)果的準確性，搭建了如圖9所示的被動式散熱實驗臺，對該散熱器性能進行實驗驗證.圖10為實驗系統(tǒng)示意圖，系統(tǒng)主要由加熱系統(tǒng)、信息采集系統(tǒng)兩大部分組成，加熱系統(tǒng)包括直流電源、電阻加熱棒、銅塊等，信息采集系統(tǒng)包括熱電偶、數(shù)據(jù)采集器、計算機等.

其中，加熱系統(tǒng)中的銅塊用來模擬CPU，通過可調(diào)節(jié)電壓、電流的直流電源，為放置于銅塊中部通孔中的加熱棒提供熱量，單根加熱棒額定功率75 W，四根加熱棒一共可提供300 W的加熱功率［18，19］.

3.2 數(shù)據(jù)采集與處理

為準確測量模擬熱源及散熱器各部位溫度，使用K型熱電偶進行溫度監(jiān)測，熱電偶測量精度為±0.5 ℃，溫度監(jiān)測點如圖10所示.使用八通道數(shù)據(jù)采集器速靈科RS20K-C采集溫度數(shù)據(jù)，使用個人計算機記錄、處理并保存所采集的數(shù)據(jù).

其中，在每次實驗進行前使用8只K型熱電偶測量實驗環(huán)境溫度，并采用八者的算術(shù)平均值作為實際實驗環(huán)境溫度值.經(jīng)測算，實驗環(huán)境平均溫度約為23.5 ℃左右.

4 數(shù)值仿真與實驗結(jié)果對比

4.1 溫度對比分析

圖11所示為不同加熱功率下被動式散熱器實驗結(jié)果與數(shù)值仿真結(jié)果對比.

由圖11可知，在不同加熱條件下實驗與仿真結(jié)果吻合度較好，當加熱功率處于60 W以下時散熱器各組件實驗與仿真結(jié)果溫差均不超過5 ℃，誤差均在7%以下.當加熱功率持續(xù)提升至60 W以上時，實驗與仿真誤差開始增加，最大溫差達到7 ℃，誤差達到12%，這是由于散熱器實體模型為手工組裝、焊接，因而導致散熱器各組件間存在較高的接觸熱阻，使得模擬熱源中的熱量不能及時傳導至散熱鰭片，從而使得實驗中模擬熱源溫度較高.

在實驗中，當加熱功率達到最高即120 W時，實驗系統(tǒng)中溫度最高者為模擬熱源，最高溫度僅為68.28 ℃，滿足CPU正常運行需求.

4.2 啟動性能對比分析

圖12為120 W加熱功率下模擬熱源和散熱器散熱鰭片溫度隨時間變化對比圖.

由圖12可知，在實驗及仿真中，模擬熱源及散熱鰭片啟動時間擬合度較高，均表現(xiàn)為在900 s左右達到穩(wěn)態(tài).與仿真結(jié)果類似，在實驗中隨著加熱功率的提高，散熱器啟動時間逐漸縮短.此外，通過對比在實驗中各加熱功率下散熱器不同組件的溫升曲線可知，在達到穩(wěn)態(tài)溫度前，其溫升曲線表現(xiàn)為較為光滑的曲線，無明顯溫度突變點，這表明在啟動過程中散熱性能良好，在不同功率下均能正常啟動.通過對比實驗結(jié)果與仿真結(jié)果，表明該散熱器對不同功率下的CPU均具有良好的適應能力.

4.3 熱阻對比分析

表4所示為在實驗中給定不同加熱功率時散熱器各組件的穩(wěn)態(tài)溫度，實驗時環(huán)境溫度為20.65 ℃.由公式（8）～（13）計算出散熱器各組成部件在不同加熱功率下實驗與仿真的熱阻，實驗結(jié)果中熱阻隨加熱功率變化折線圖如圖13所示，仿真結(jié)果中熱阻隨加熱功率變化折線圖見圖8所示.由圖13及圖8可以觀察到，隨著加熱功率的增加，在實驗和仿真中，散熱器各組件間接觸熱阻均隨功率增加而降低.當功率達到120 W時，實驗結(jié)果中散熱器平均熱阻僅為0.11 ℃/W左右，仿真結(jié)果中散熱器各組件間平均接觸熱阻僅為0.06 ℃/W左右.

5 結(jié)論

本文提出了一種新型被動式計算機CPU散熱器，并對其解熱能力進行了數(shù)值仿真與實驗驗證，討論了其傳熱能力，得到了以下結(jié)論：

（1）本文所提出的被動式散熱器散熱效果良好，對不同功率的CPU均具有較好的適應能力.當加熱功率達到120 W時，模擬熱源實驗溫度僅為68.28 ℃，滿足CPU正常運行要求.

（2）該散熱器啟動性能良好，響應時間較短.在數(shù)值仿真及實驗中，散熱器啟動時間保持一致，且其啟動時間隨加熱功率增加而逐漸降低，當加熱功率達到120 W時，其啟動時間僅為900 s左右.此外，啟動階段該散熱器溫度波動較小，平均溫度波動低于0.4 ℃.穩(wěn)態(tài)階段散熱器溫度波動略高，其平均溫度波動低于3 ℃.

（3）該散熱器各組件間接觸熱阻較低，且其熱阻隨加熱功率增加而逐漸降低.當加熱功率達到120 W時，散熱器接觸熱阻平均處在0.01～0.2 ℃/W之間.

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【責任編輯：陳 佳】