新型热管电子器件散热器的实验研究和数值模拟

田金颖,牛建会

(1.天津中德职业技术学院电气工程系,天津300191;2.河北建筑工程学院城市建设系,张家口075024)

1 引言

现代电子设备正在迅速地向高集成度、高密度组装、高运行速度方向发展。作为功率电子设备核心的芯片,由于其集成度、封装密度以及工作时钟频率的不断提高,其单位面积的发热量迅速增加,工作温度也不断升高。研究资料表明,单个半导体元件的温度每升高10℃,系统可靠性降低50%[1]。由此可见,散热问题是影响电脑CPU功能可否提升的关键因素。

由于平板热管散热器具有导热性高、均温性强的特点,已经开始应用到CPU电子冷却中,目前国内已有不少专家学者关注这方面的问题,并发表了许多研究报告。张丽春,马同泽等对不同管壁材料和槽道结构的三个平板小型热管进行了实验研究,研究了工质充液率,冷凝方式等对热管性能的影响[2]。华中科技大学的程德威,胡幼明,王惠龄[3,4]等用无量纲形式对平板热管流动与传热特性进行了理论分析,主要分析了平板热管蒸发段,冷凝段的气相速度,液相速度和压降分布。但对于像平面热管等传热元件的基础知识对下一代高性能计算机和超级计算机的应用研究还相对较少。本文就是从实际应用的角度对平板热管散热器导热性能进行实验研究。在此基础上,进一步针对平板热管散热器底板的导热特点,分析了改变热管导热系数及模拟CPU尺寸对平板热管散热器运行性能的影响,以期为该新型结构的散热器的实际应用奠定基础。

2 平板热管散热器

2.1 结构形式及特点

实验中使用的平板热管散热器采用的是将与散热器底面积尺寸相同的平板热管嵌入到普通铝制散热器底面的形式。散热器的外观如图1所示。散热器参数如表1所示。

图1 平板热管散热器

2.2 当量导热系数

因为热管内部有吸液芯、循环工质等多种材料,而且热管是嵌入到散热器底表面内,对于平板热管散热器导热系数的确定就不能完全使用傅立叶导热公式进行求解。而且本文不涉及研究热管内部吸液芯中的复杂沸腾现象,故采用当量导热系数来估测平板热管散热器的性能。其表达式可用下式表示:

表1 实验用散热器参数

其中底板热阻可以表示为:

其中:

Rbase—底板热阻,K/W;

Tdown—底板下表面平均温度,K;

Tup—底板上表面平均温度,K;

Q—加热量,W

图2 散热器外形尺寸

3 实验研究

3.1 实验装置

本文利用高热流密度电子器件散热性能实验台[5]对平板热管散热器进行了散热性能实验研究。实验装置如图3所示。加热系统采用直流硅热源对模拟芯片的发热铜柱进行加热,铜柱内埋入两对热电偶T2、T3;为测量模拟CPU的温度在芯片内埋有热电偶T1。内由风机提供不同流速的气流对散热器进行冷却。整个散热过程分为三步:芯片热量传递到散热板上,通过热传导的作用再将热量传递给散热器,最后通过空气自然对流将热量带走。

主要测试的参数有:CPU实际发热量;平板热管散热器上、下表面温度;风速;实验段前后压差。

图3 高热流密度电子器件散热性能实验装置

3.2 实验结果

根据文中当量导热系数的定义,首先需要知道散热器上下底表面的平均温度情况。实验中分别在平板热管散热器的上、下底表面上埋有数根热电偶,并取温度平均值。散热器工作达到稳态状态

图4 两种散热器1.5m/s时上下表面温差随加热功率的变化

图5 两种散热器3m/s时上下表面温差随加热功率的变化

由图4、图5可知,两种散热器在冷却风速提高一倍的条件下,底板上下表面的温差随加热功率变化的趋势大致相同:在相同风速条件下,随着加热功率的增加,底板上下表面的温差逐渐升高,铝时,在风速、加热功率等参数发生改变的条件下,电子器件散热器的温度分布、导热系数等也随之发生变化,同时采用普通铝制散热器与平板热管散热器进行对比。制散热器的温差大于平板热管散热器,且在高能力区差别更加明显,例如在风速为1.5m/s、加热功率为72W时,平板热管散热器底表面温差为5.8℃,铝质散热器的温差为8.6℃;在加热功率为197W时,平板热管散热器底表面温差为13℃,铝质散热器的温差为20℃。分析其原因为与普通散热器比较,平板热管散热器具有较好的传热特性,降低了散热器底表面的温度梯度,使底表面温度更趋均匀。特别是平板热管散热器的热管蒸发端与散热器底板面积相同,且与热源直接接触,故更能体现热管的传热特性。在相同的加热功率条件下,冷却风速提高一倍,底板上下表面的温差降低的幅度并不大。说明冷却风速,对改变散热器的散热性能的帮助并不大。

同时将实验所测数据代入公式 (1),得到了获得风速为3m/s时,平板热管散热器的当量导热系数随模拟芯片加热功率的变化情况。

图6 平板热管散热器在不同加热功率情况下对当量导热系数的影响

由图中可见,散热器当量导热系数随加热功率的增加呈线性增高的趋势。但在160W之后变化幅度逐渐变小,说明平板热管散热器的当量导热系数达到稳定值为1800～1900W/(m2K),是其最优工作状态点。

4 数值模拟

改变散热器底板的导热系数以及改变散热器与芯片的接触方式,是改善CPU冷却散热器散热效果的两条重要途径[5]。为了在风冷方式下获得最佳的冷却效果,利用ICEPAK软件对平板热管散热器底板进行了尝试性的优化分析。

4.1 建立模型

在建立计算模型时做了如下假定:

(1)假设流动空气为定常连续不可压缩流体,在风道内做强制紊流流动,其物性参数为常数。

(2)散热器放置在非封闭的空间,周围空间设定为一个大气压101325Pa,同时设定环境温度为20℃。

(3)由于不考虑辐射换热,风道壁面均按绝热条件给定。由于本文主要模拟的是散热器的散热情况,不考虑散热器升温对空气分布的影响,故翅片的边界条件也按绝热边界条件来处理。风道壁面及翅片表面无滑移产生。

(4)进口流速假定为均匀。风道出口与散热器间留有足够长的距离以防止回流现象的产生。完成基本边界条件设置后,进行网格划分及后处理求解。由于篇幅的限制,在这里仅对风速条件为3.1m/s情况进行了对比分析。

4.2 模拟结果

(1)改变导热系数

根据热管理论计算[6],热管导热系数可达30000～50000W/mK,为了能够对比不同导热系数热管散热器的散热效果,将优化后的平板热管散热器当量导热系数设定为40000W/mK,其他的参数保持一致,计算后进行处理,并与当量导热系数为2000W/mK的平板热管散热器在加热功率为197W、冷却风速为3m/s时的表面温度场分布进行了比较。

由图7、图8可知,平板热管散热器优化后的上表面温度带几乎一致,说明提高当量导热系数能明显的提高散热器的均温性。与低当量导热系数平板热管散热器的温度分布相比,在散热器当量导热系数提高后,平板热管散热器的最高温度低于优化前的最高温度,而最低温度高于优化前的最低温度,优化后的平板热管散热器温度分布更加均匀。

由以上分析可见,提高热管导热系数对整个热管散热器的传热性能有明显提高,而导热系数与热管的材料本身有关,故可在热管研究机理上做进一步深入研究。同时,也要清楚的看到单独改善热管设计虽可以提高性能,但不能从根本上提高散热系统的性能,这与热管的作用也是相符的,热管只是起到传递热量的作用。

(2)改变模拟芯片尺寸

实验中,计算出了在风速1.5～3m/s,加热功率60～200W时,扩散热阻是散热器自身所产生热阻的6～10倍[5]。同时扩散热阻越大造成散热器底部温度分布越不均匀,从而不能有效地为芯片提供散热面积,所以重视减小散热器的扩散热阻十分重

按照当今CPU芯片的实际尺寸,将模拟芯片尺寸由42.5×42.5mm增加到55.5×55.5mm。

对在加热功率为197W、冷却风速取为3m/s时的平板热管散热器的底面温度场分布进行了分析。取散热器底面中心轴温度分布值,反映了温度沿着散热器底面沿X方向的分布。

由图10可见,当模拟芯片尺寸由 42.5×42.5mm增加到55.5×55.5mm时,平板热管散热器的底面温度有所降低,由此可见单独改变模拟芯片尺寸对平板热管散热器来说有一定效果,从而可以要。故这里采用改变芯片的尺寸大小,希望通过扩大芯片面积以达到减小扩散热阻的目的。达到降低扩散热阻的目的。

图8 当量导热系数为40000W/mK的平板热管散热器上表面温度分布

图10 平板热管散热器在芯片尺寸改变前后底板温度分布比较

5 结论

本文以解决CPU强化散热问题为研究背景,对平板热管散热器对模拟芯片的散热效果进行了深入研究。由实验和模拟分析得出以下结论:

(1)采用平板热管散热器可以有效提高CPU芯片的散热性能,芯片发热量在160W后为其最佳工作状态,证实平板型热管散热器可以满足大型计算机服务器CPU的冷却要求。

(2)利用数值模拟方法对平板热管散热器底面的导热效果进行了优化设计,通过改变导热系数以及扩大模拟芯片尺寸来达到改善CPU冷却散热器的散热效果的目的,并得到了一些有价值的结论,这对改进热管散热器的散热效果有一定的指导意义。

[1] Yiswannath R,Nair R,Wakharker V;et al.Emerging directions for packaging technologies.Interl technology Journal,2002.6:61-74

[2] Lichun Zhang,Tongze Ma,Zhengfang Zhang.Experimental Investigation on Thermal Performance of Flat Miniature Heat Pipes withAxialGrooves.13th International Heat Pipe Conference,Shanghai,China,2004.9.pp 206-211

[3] 程德威,胡幼明,王惠龄.新型平板热管流动与传热特性的理论分析[J].低温工程,1998,(6):22-24

[4] 胡幼明,王惠龄.新型平板热管的理论建模分析及金属丝网表面沸腾的实验研究[D].华中科技大学硕士论文(1997)

[5] 田金颖.CPU热管散热器的实验研究和数值模拟[D].天津商业大学硕士学位论文(2008)

[6] 马同泽.热管[M].北京:科学出版社,1983