王 鵬,葉 立,許 伍,胡永海

(上海理工大學(xué)能源與動力工程學(xué)院,上海,200093)

近年來,隨著電子工業(yè)的迅猛發(fā)展,各種電子設(shè)備也越來越向高頻、高集成化發(fā)展,從而導(dǎo)致其發(fā)熱量逐年增加。同時,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。一個最典型的例子就是電子計算機芯片近年來的發(fā)展。為了保證電腦CPU正常運行,需要使內(nèi)裝電子元件維持在一定溫度范圍內(nèi)運轉(zhuǎn)[1]。這是因為電子元件的性能對溫度非常敏感,溫度過高或過低,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系統(tǒng)的可靠運行。當(dāng)今電子產(chǎn)品的熱設(shè)計中,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,故通過熱管將熱量由小空間處傳遞到一定距離外的相對大空間里的散熱片上,可利用空氣自然對流的方式達到電子產(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軟件進行熱特性比較分析,模擬計算出穩(wěn)態(tài)溫度場分布,以及不同功率下CPU中心點的傳熱特性,并對計算結(jié)果進行了實驗驗證。

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圍的流動與換熱情況是一種典型的多尺度、大分離復(fù)雜流場計算。為獲得較高精度,計算所需用網(wǎng)格數(shù)相當(dāng)龐大,使得計算趨于困難?？紤]到本文所提出的模型本質(zhì)上為周期性結(jié)構(gòu),此處將其簡化為單流道進行處理,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20mm,寬20mm,高h=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。通過空氣自然對流進行換熱,周圍空氣處于室溫20℃,空氣對流換熱系數(shù)12W/m2℃。

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

圖1 熱管式與普通銅管散熱器單流道模型

計算采用基于有限體積法的Simple系列方法,其中能量方程、動量方程、湍動能、湍流耗散率均采用具有三階精度的Quick格式離散。計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和換熱以及管內(nèi)的導(dǎo)熱,同時又要控制網(wǎng)格的數(shù)目,劃分網(wǎng)格時,采用非均勻網(wǎng)格,對壓力、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,整個計算域網(wǎng)格數(shù)量近80萬,網(wǎng)格質(zhì)量Skewness值小于0.8。

計算域左界面設(shè)定為入口速度邊界條件,計算域右界面設(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,計算域下界面設(shè)為軸對稱邊界。各計算參數(shù)下降三個數(shù)量級并達穩(wěn)定,進出口質(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)

進行計算時對所建立的數(shù)值模型作如下假設(shè):

(1)熱管的材料性質(zhì)不隨時間的改變而改變。

(2)熱管為一實心固體,以此計算熱管等效傳熱系數(shù)。

(3)CPU在連續(xù)工作一段時間后,達到熱平衡狀態(tài),可以看做穩(wěn)態(tài)熱傳導(dǎo)問題。

(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。為了簡化計算,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CPU模型的熱學(xué)參數(shù),計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秒時溫度分布圖

圖3 熱管散熱器工作1800秒時溫度分布圖

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溫度隨時間的變化關(guān)系

圖4 普通翅片散熱器在不同CPU功率下的溫度-時間曲線圖

圖5 熱管式散熱器在不同CPU功率下的溫度-時間曲線圖

隨著集成化趨勢的形成及電腦配置的不斷提高,CPU功率也在不斷增加。文中對不同功率下普通翅片散熱器和熱管式散熱器中心點溫度隨時間的變化關(guān)系進行了計算,并對二者在高CPU功率下的散熱特性進行了比較,計算結(jié)果如圖4、圖5所示。兩種換熱器中心點溫度隨時間的變化關(guān)系非常相似,在初始階段都上升較快,隨時間進行上升趨勢逐漸趨緩,于1800秒左右都基本達到穩(wěn)定,但二者的具體溫度值有所不同。當(dāng)CPU功率較小時(例如P=30W),熱管式散熱器和銅管散熱器中心點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,普通翅片散熱器中心點最高溫度值已達到375K以上,超出了CPU所能承受的范圍,無法滿足換熱要求;而此時熱管式散熱器中心點最高溫度值仍保持在360K左右,可保證CPU的正常運行。在CPU高功率運行工況下,使用熱管式散熱器比使用普通翅片散熱器更具有優(yōu)勢,即使CPU功率升至70W及更高值時,也可以通過添加熱管數(shù)量的方式輕松實現(xiàn)CPU溫度控制。

3 模擬結(jié)果的實驗驗證

3.1 實驗裝置

CPU熱管式散熱器實驗系統(tǒng)如圖6所示,整個系統(tǒng)由風(fēng)機、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熱電偶測定,熱電偶測點R1、R2和R3位置如圖7所示,各測點溫度值均由數(shù)據(jù)采集儀 (HP34970A)記錄。

圖6 CPU熱管式散熱器實驗裝置圖

圖7 實驗測點位置圖

3.2 實驗值與計算值的比較

CPU功率為40W,空氣流態(tài)為自然對流,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秒后認為其進入穩(wěn)定工作狀態(tài),開始測取表面溫度。

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

測點實驗值與計算值基本吻合,證明了所用數(shù)值模型的正確性和計算結(jié)果的可信性。

圖8 熱管式散熱器測點實驗值與計算模擬值對比

4 結(jié)語

計算機的高度集成化發(fā)展,導(dǎo)致了計算機芯片單位容積放熱量的逐漸增大,為滿足CPU正常運行時對最高溫度和表面溫度均溫性的限制要求,本課題對CPU熱管式散熱器和普通翅片散熱器進行了數(shù)值模擬,對兩種散熱器在穩(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溫度隨時間的變化關(guān)系進行了比較,并搭建實驗臺對熱管式散熱器進行了溫度測定。通過計算和實驗可得到以下結(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高功率運行的散熱要求,并可通過添加熱管數(shù)量的方式輕松實現(xiàn)對散熱效果的控制。

(4)實驗測得數(shù)據(jù)和計算模擬數(shù)據(jù)基本吻合,證明了計算模型的正確性和計算結(jié)果的可信性。

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

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