1、CPU熱柱散熱器實驗研究與溫度場數(shù)值模擬摘 要:對CPU熱柱散熱器的散熱性能進行了實驗研究,測試加熱功率、風速等主要工況不同時發(fā)熱電子元件表面的溫度,比較并分析了測試結果。運用有限元分析軟件ANSYS對該散熱器進行了溫度場數(shù)值模擬分析。研究在風冷條件下,同等尺寸的普通銅柱CPU散熱器和熱柱散熱器的溫度分布。結果表明,熱柱散熱器具有良好的散熱性能,在較低風速下也能有效地降低CPU的溫度。 關鍵詞:熱柱散熱器;散熱性能;CPU;數(shù)值模擬 中圖分類號:TK124;TP332 文獻標識碼:A 文章編號:1004-373X(2010)06-178-03 Experimental Study and Nu

2、merical Simulation of Temperature Field on CPU Thermal Pillar Radiator LI Yanhong,LIU Jipu (School of Mechanical Engineering,Xiangtan University,Xiangtan,411105,China) Abstract:The performance of CPU thermal pillar radiator is studied,the heating power,wind speed at the main working surface temperat

3、ure of heating electronic components are tested and compared.Using finite element analysis software ANSYS to the radiator to make the temperature field numerical analysis of this radiator.In the air condition,the same size of ordinary brass pillar CPU radiator and thermal pillar radiator temperature

4、 distribution are researched.Results show that the thermal pillar radiator has good heat dissipation performance and can effectively reduce the temperature of CPU at low wind speed. Keywords:thermal pillar radiator;heat dissipation performance;CPU;numerical simulation 0 引 言 目前,隨著電子信息化、網(wǎng)絡化時代的到來,計算機的運

5、用越來越普及。由于計算機CPU芯片集成度和運行速度的不斷提高,使得單個芯片的功耗加大,發(fā)熱量也越來越大,若這些熱量不能及時散失,CPU的性能會顯著下降,嚴重影響整個計算機系統(tǒng)的可靠運行1。研究資料表明,單個半導體元件的溫度每升高10 ,系統(tǒng)的可靠性降低50%。為了確保芯片工作穩(wěn)定性和延長使用壽命,其最高溫度不得超過85 ,同時由于設備向著高性能、緊湊化、小型化發(fā)展,使得有限空間內的散熱更加困難2。傳統(tǒng)的由風扇加散熱片組成的強迫空氣對流冷卻方式,由于空氣的比熱容小,噪音大,即使使用銅等導熱性能很好的材料,這種散熱方式也已逐漸不能滿足現(xiàn)代高熱流密度的散熱要求3。因此,必須研究和開發(fā)新的有效散熱系統(tǒng)

6、。熱柱型散熱器采用的是相變循環(huán)冷卻技術,能有效解決芯片的散熱問題。 1 熱柱工作原理及對散熱器性能的影響 熱柱是中空的圓柱形,其中裝有易蒸發(fā)的液體。熱柱中始終保持真空狀態(tài)。底部的液體受熱變成氣體,向熱柱的上端流動,當?shù)竭_頂部時,頂部的氣體冷卻降溫重新變成液體,由于受到重力或者其他內力的作用,液滴重新回到熱柱底部,繼續(xù)被蒸發(fā),然后被冷卻,這就形成一個周而復始的循環(huán),推動這一循環(huán)的就是熱源4。散熱器加上這一功能,使芯片的溫度能迅速地擴散到散熱片上,再擴散到空氣中達到降溫的作用。由于液體的氣液化速度非?？?故能以極高的速度將熱量從熱源部分傳到冷卻部分5,其工作原理如圖1所示。 圖1 熱柱工作原理示意

7、圖 2 實驗研究 2.1 實驗測試裝置及過程 實驗測試裝置如圖2所示,將散熱器置于圓形截面形狀沖擊射流6下進行實驗測試,采用電加熱銅塊模擬實際的芯片發(fā)熱,通過調節(jié)輸入的電壓和電流來控制加熱功率和風機風速;在銅塊上部分開孔布置E型熱電偶,測量散熱器底面中央溫度,近似為CPU芯片表面溫度。散熱器與銅板間涂上導熱硅脂來改善導熱的效果。 圖2 實驗測試裝置示意圖 2.2 實驗結果及討論 實驗測試了在不同風速和加熱功率時的芯片表面溫度。圖3反映的是風速為1.4 m/s,功率為80 W時芯片表面溫度隨時間變化的過程。從圖3中可以看出,對模擬芯片加熱后,在開始前十分鐘,由于芯片瞬間通電發(fā)熱量很大,芯片表面溫

8、度上升很快,之后慢慢逐漸趨緩,45 min后基本達到穩(wěn)定狀態(tài)。 圖3 風速為1.4 m/s時芯片表面溫度隨時間關系曲線 圖4顯示了功率的改變對散熱器散熱性能的影響。在相同風速下,輸入功率越大,芯片表面溫度越高。 圖4 不同功率下散熱器風速與芯片表面平衡溫度曲線 圖5顯示了風速的改變對散熱器散熱性能的影響。在相同功率下,風速越大,芯片表面溫度越低,當風速只有1.4 m/s時,在加熱功率為125 W的條件下,芯片表面溫度為51.2 ,低于正常運行溫度55 7。隨著風速的增大,溫度下降的效果不是很明顯。說明單純依靠提高風速并不能使散熱器的散熱性能有很大提高。隨著風速的加大,風扇的噪聲也增大,系統(tǒng)整體

9、性能下降,將散熱器的風扇設計成可調速的風扇則更加合理。 圖5 不同風速下散熱器功率與芯片表面平衡溫度曲線 3 數(shù)值模擬 3.1 數(shù)學模型 散熱器的中心為圓柱形構造,而散熱鋁片則呈太陽花放射狀,一共52片。采用太陽花放射狀散熱片設計的最大優(yōu)點在于外形獨特,散熱面積大,風路合理。中間則嵌有直徑33 mm,高42 mm的熱柱。這里分別對銅柱和熱柱散熱器進行模擬分析,并進行比較。由于熱柱涉及相變問題,模型的建立和求解十分復雜,對此,在進行數(shù)值模擬的時候做一些合理的假設8。將熱柱等效成導熱系數(shù)很高的固體材料,其幾何形狀和銅柱大小?一樣,等效熱傳導系數(shù)由熱柱的長度、截面積和熱阻求得9,并對散熱器在倒角和局

10、部細節(jié)處進行了簡化。材料導熱系數(shù),銅401 W/(mK),鋁201 W/(mK)。 本文采用ANSYS自由網(wǎng)格劃分(見圖6),考慮到計算精度,設置Smart size值為2,選用Thermal/solid/3D 10node87單元。散熱片上存在著對流約束10,周圍環(huán)境溫度為22.2 ,冷卻空氣出口溫度為?26.3 ,風速為1.4 m/s,對流換熱系數(shù)為23.8 W/(m2)。散熱器基底與芯片接觸面上有熱量傳遞,其熱流密度為6104 W/(m2)。 圖6 散熱器網(wǎng)格劃分 3.2 計算結果與分析 在經(jīng)過建模、離散和加載邊界后,計算得到兩種不同散熱器溫度分布云圖,如圖7所示。本文運用?ANSYS軟

11、件,對散熱器的散熱性能進行了數(shù)值分析。 由圖7和圖8可以看出,在相同的加載條件下,銅柱散熱器的最高溫度為311.198 K,而熱柱散熱器的最高溫度為309.234 K,其最高溫度低于銅柱散熱器的最高溫度,說明熱柱型散熱器的散熱性能較銅柱散熱器有明顯提高。模擬結果與實驗結果相對誤差為7.6%,可以認為模擬結果與實驗所得數(shù)據(jù)基本吻合。 圖7 銅柱散熱器溫度分布云圖 圖8 熱柱散熱器溫度分布云圖 由圖9和圖10可以看出,熱柱散熱器的散熱片溫度分布在上下部分變化不大,說明熱柱散熱器不僅能將熱量更快地傳到整個散熱器,而且能將熱量更均勻地分布在較大散熱面積上,極大地提高了散熱器的散熱性能。 圖9 銅柱散熱

12、器散熱片溫度分布云圖 圖10 熱柱散熱器散熱片溫度分布云圖 4 結 語 該實驗中熱柱型散熱器的散熱性能可以滿足E6600,Q6600,P4-640等Intel 775安裝結構的CPU散熱。采用熱柱原理和技術的熱柱型散熱器能利用內部工質的相變過程自動地進行吸熱和傳熱,使熱量傳遞更好,更迅速,使散熱片溫度的分布更均勻,以致充分發(fā)揮每個翅片的散熱作用,使其能在冷卻氣流較小的情況下,很好地滿足芯片的散熱需求,大功率CPU散熱領域具有廣闊的應用前景。 參考文獻 1黃潔,杜平安.CPU散熱器熱學性能的有限元分析J.計算機應用技術,2006,33(10):29-31. 2孫志堅,王立新,王巖,等.重力型熱管散熱器傳熱特性的實驗研究J.浙江大學學報,2007,41(8):1 403-1 405. 3陸正裕,熊建銀,屈治國,等.CPU散熱器換熱特性的實驗研究J.工程熱物理學報,2004,25(5):861-863. 4莊俊,張紅.熱管技術及其工程應用M.北京:化學工業(yè)出版社,2000. 5張亞平,余小玲,馮全科.熱管熱性能的實驗研究J.西安科技大學學報,2007,27(2):187-195. 6余鵬.垂直均勻射流下CPU散熱器換熱性能的數(shù)值分析J.工程熱物理學報,2003,24(3):415-41