带有强化换热结构的芯片散热器实验研究与数值模拟

诸凯 王华峰 王建惠 张密 杨洋

(天津商业大学天津市制冷技术重点实验室 天津 300134)

带有强化换热结构的芯片散热器实验研究与数值模拟

诸凯 王华峰 王建惠 张密 杨洋

(天津商业大学天津市制冷技术重点实验室 天津 300134)

超级或大型计算机服务器CPU的冷却散热问题，已经成为计算机高性能发展的瓶颈，受到业内越来越广泛的关注。本文提出了一种用于冷却计算机服务器芯片的散热器，其结构是将镶嵌在散热器底板的热管与翅片组装为一体。利用自建实验台对该散热器以及平板式热管散热器的性能进行了对比实验分析，同时对其热管本体、翅片以及均温板的温度分布进行了数值模拟。这种热管冷凝段得到强化换热的散热器其底板面积相对平板式热管散热器减小了50%，因此具有更好的均温性；在相同的工况下热流密度由24.3W/cm2增至68.6W/cm2时，该散热器翅片顶部的平均温度增幅仅为17%。

芯片冷却；强化换热；芯片散热器；数值模拟

随着信息、金融及多行业对高端计算机网络服务器功能要求的不断提高，大型以及超级计算机的技术性能必须相应快速发展，但随之带来了服务器CPU芯片热流密度增大、温度巨升，高热量无法及时散出等一系列问题。大型计算服务器在工作过程中，如果不能及时将CPU芯片的热量散出，会直接影响其稳定运行。如何使CPU芯片局部表面过高的热量快速均匀铺开并及时散发出去，已成为业内争相研究的焦点[1－3]。在计算机芯片冷却散热方面，平板式热管换热器具有良好的散热效果[4－5]，但是这种散热器底板面积相对较大，而且平面热管的加工难度也较大[6]。在此基础上，本文提出一种具有强化换热特征的新型散热器。即在散热器底板内镶嵌有热管，并将热管的冷凝段与散热翅片组装在一起，使冷凝换热得到强化。为了研究分析该散热器的散热性能，对其进行了实验研究和数值模拟，并且与换热性能良好的平板式热管散热器进行了对比，量化说明该散热器的冷却散热效果。

1 散热器结构及原理

平板式热管散热器和散热器底板镶嵌有热管的这种新型散热器结构分别如图1和图2所示。为了叙述上的方便，将平板式热管散热器称为散热器1；将散热底板镶嵌有热管的(热管具有强化换热结构)散热器称为散热器2。散热器1的底板即是平面热管的底面，翅片镶嵌在平板式热管的上表面，翅片的厚度为0.5 mm(如图1)。

散热器2的底板仅为(图2)中间部分，该部分底板与芯片紧固接触。该散热器共镶有5根热管:其中3根直圆柱形热管的中段镶嵌在(底板)中间部分，两端嵌入翅片中；另外2根圆柱形热管折弯成U型，其中的一段(约占总长1/3)镶嵌在底板中间部分，其余2/3全部嵌入翅片中，但热管的折弯处置于散热器外部(如图2)。5根热管的直径均为6 mm，散热器的底板为铜质，翅片的厚度也为0.5 mm。

图1 平板热管式散热器Fig·1 Flat heat pipe radiator

图2 热管冷凝段得到强化换热的散热器Fig·2 Strengthen heat pipe condensation end heat transfer heat radiator

表1 实验用散热器参数Tab·1 Parameter table of the radiator for the experiment

散热器1的传热过程为:CPU(或其它高热流密度器件)的热量通过热扩散板导热至散热器底板，整个散热器的底面即为平板式热管的蒸发面，最终CPU的热量通过底板上面的翅片被空气散出。

散热器2的传热过程为:CPU的热量通过热扩散板导热至镶嵌在散热器底板内的(5根)热管上，通过热管的导热迅速将热量扩散至散热器底板。由于3根直形热管的两端(冷凝段)置于翅片中，另外2根折弯成U型热管的冷凝段也嵌入翅片中，所以热管的冷凝换热均得到强化，最终CPU的热量均通过翅片被空气带走。

散热器1的散热效率早已得到业内的认可，但加工难度较大，并且有色金属耗材较多。两种散热器的外形体积虽然相同，但是散热器2底板的面积是散热器1的1/2。通过改变热管的设置结构来强化传热，其散热效率并不低于散热器1。

2 散热器数值模拟与实验

2·1 数值模拟

通过PRO-E建立散热器的实体模型，两种具有热管结构的散热器数值模拟采用Ansys计算软件。在数值模拟中，假设条件如下:1)空气流体满足Boussinesq(布辛涅司克)假设；2)空气流体及散热器物性参数为常数；3)空气流体为不可压缩流体；4)空气流体在壁面处无滑移；5)空气流动为定值；6)不计自然对流和辐射换热的影响；7)热管与翅片的接触热阻忽略不计，且(散热器2)热管弯折段的性能不受影响[7]。

边界条件设置为:风道内平均速度分别为3 m/s 和4.5 m/s、(模拟热源的)热流密度分别为24.3 W/ cm2、44.3 W/cm2和68.6 W/cm2，进口风温为室内温度T＝291 K；风道出口为Outflow类型。

2·2 实验装置及方法

性能实验采用的实验装置[8]如图3和图4所示。实验台中的模拟CPU发热源(方形铜柱)与散热器底板紧密固定，底板与热源之间覆有(减低接触热阻)热结合层。发热量(模拟CPU)由硅加热片提供，用数字式直流稳压电源调节其功率。模拟热源设有两个温度测点T2、T3，热扩散板的温度由热电偶T1测量。风机的风速由直流稳压电源控制，对散热器进行强迫冷却，风速值由单点热线风速仪测量。

3 结果及对比分析

3·1 实验结果

通过实验得到，风速分别为3 m/s和4.5 m/s时，两种散热器的热扩散板温度随热流密度变化的实验曲线，由图5和图6所示。在风速相同条件下，两散热器的热扩散板温度随热流密度的增大而升高，散热器1升高的速率均大于散热器2，而且散热器2温度上升的梯度明显小于散热器1，可见散热器2有更好的均温性。两散热器之间的温差随热流密度增加也呈现上升趋势，但在相同的热流密度下，散热器1的温度均高于散热器2。例如风速3 m/s、热流密度24.3 W/cm2时，两者温差为5.12℃。风速不变，热流密度为68.6 W/cm2时，两者温差为12.56℃。此时散热器1总温差为10.20℃，散热器2的为2.76℃。由此可知，散热器2的传热与散热性能优于散热器1。

图3 高热流密度电子器件散热性能实验装置Fig·3 Experimental devices for the heat dissipating per formance of high heating flux electroniCdevices

图4 模拟CPU实验加热装置Fig·4 The experimental heating device for simulation of the CPU

3·2 新型散热器的热管及翅片温度分布

散热器2温度分布的数值模拟计算结果，如图7和图8所示。图7是5根热管本体的温度分布；图8是散热器翅片上的温度分布(图中温度用热力学温标，e＋002表示10的2次方)。

由图7可看出，在5根热管中，中间3根热管(蒸发段)的最高温度可达21.13℃，两侧热管的最高温度逐渐降低，热管的最低温度为20.06℃，温差为1.07℃。整体来看，温度降低速率比较均匀。

图5 风速3 m/s两种散热器热扩散板温度Fig·5 Two kinds of thermal diffusion Plate temperature with w ind speed set of 3 m/s

图6 风速4·5 m/s两种散热器热扩散板温度Fig·6 Two kinds of thermal diffusion Plate temperature with w ind speed set of 4·5 m/s

图7 散热器2热管本体的温度分布Fig·7 Heat pipes body temperature distribution in radiator 2

由图8可知，翅片上最高温度为21.06℃，最低温度为20.01℃，温差为1.05℃。其温度分布从翅片底部向翅片顶端呈下降趋势。表2给出了图7和图8相同位置的模拟值与实验值的对比。

由表2可以看出，模拟值与实验测试值吻合较好。

表2 散热器热管及翅片温度实验值与模拟值对比Tab·2 Radiator heat pipe and fin temperature comparison between experiment and simulation values

表3 两种散热器的热扩散板平均温度对比Tab·3 Two kinds of thermal diffusion Plate the average temperature comparison between experiment and simulation values

图8 散热器2翅片的温度分布Fig·8 The fin temperature distribution in radiator 2

为了考察不同热流密度下两种换热器散热效果，表3给出了风道内平均速度为4.5 m/s、三种不同(模拟热源)热流密度时两热扩散板的平均温度比较。

通过表3、图9和图10可以看出，模拟值和实验值基本吻合，对比实验和模拟结果来看，两种散热器的热扩散板平均温度随热流密度增加都呈现升高的趋势，散热器1的增长幅度远大于散热器2。在三种不同热流密度下，散热器2的冷却效果均高于散热器1，而且随着热流密度的增加，效果更加明显。

散热器1的底端为平板式热管，其内部工质(水)具有较大的传热空间，散热较好。散热器2的热管为分立式，但是其底板的面积比散热器1小1/ 2。虽然底板面积相对较小，但通过强化热管的换热，也能显著增强散热器的散热效果。并且较小的底板面积，具有更好的均温效果，非常有利于芯片“热点”散热[9－10]。

图9 散热器1热扩散板平均温度Fig·9 Thermal diffusion Plate average temperature with radiator 1

3·3 两种散热器整体的温度分布

为了比较两散热器整体的散热效果，表4给出了两种散热器翅片底板与顶部的温度差别。同时图11给出了两种散热器热流密度与翅片平均温度的关系。因为翅片顶部温度分布越均匀，表明散热器由底板至上端的散热效果越好。实验条件为:风道内平均速度为3 m/s、(模拟热源的)热流密度分别为24.3 W/cm2、44.3 W/cm2和68.6 W/cm2，进口风温为室内温 度T＝291 K。

表4 不同热流密度下两种散热器翅片顶部的温度差别Tab·4 The temperature difference in two kinds of toPradiator fin under different heat flux density

图10 散热器2热扩散板平均温度Fig·10 Thermal diffusion plate average temperature with radiator 2

由表4和图11也可以比较出两种散热器的散热效果。表4给出了不同热流密度下，两种散热器底板与翅顶端的温差。可以看出在相同热流密度下，散热器1翅片的平均温度均高于散热器2；并且随着热流密度的增大，温差也越来越大。说明散热器2底板面积虽然减小了，但通过采取强化换热措施，便能显著提高散热效果。

图11 两种散热器热流密度与翅片顶部平均温度的关系Fig·11 The relation between the heat flux and the average temperature in two kinds of radiator toPfin

4 结论

本文以研究计算机大型服务器高热流密度芯片的强化散热为目的，对一种热管冷凝段采取强化换热措施的散热器结构进行了数值模拟研究，同时与平板式热管散热器的散热效果进行了对比，经过分析总结得出:

1)采用强化换热理论与方法，将分立式热管嵌入散热器底板，并将热管的冷凝段嵌入翅片，与相同尺寸的平板式热管散热器相比较，散热器的底板面积减小了1/2。而且散热底板面积的减小，有利于提高其均温性，同时相对较小的散热底板更符合大型计算机服务器空间安装尺度的要求。

2)通过数值模拟计算以及实验，证明本文提出的散热器的散热效果优于平板式热管散热器。数值计算结果表明:该散热器热管本体和翅片的温度分布，在相同位置的模拟值与实验测试值吻合较好，误差在0.1%～0.5%范围内。

3)在热流密度为24.3 W/cm2和44.3 W/cm2时，两散热器热扩散板平均温度的模拟值和实验值较为接近；热流密度为68.6 W/cm2时模拟值与实验值的误差也仅为7%，说明数值计算结果可信。

4)在相同的工况条件下，热流密度由24.3 W/ cm2增至68.6 W/cm2，平板式热管散热器的翅顶平均温度增幅为37%，而新型散热器翅顶平均温度增幅仅为17%。

本文受天津市应用基础与前沿技术研究重点计划项目(13JCZDJC27300)资助。(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

简介

诸凯，男，博士，教授，天津商业大学制冷系，(022)26684065，E-mail:zhukai210＠tju.edu.cn。研究方向:热质传递过程及强化传热技术。

2014年7月5日