CPU集成热管散热器试验研究及CFD辅助设计

　　随着个人电脑CPU集成度和性能的不断提高，CPU的功耗越来越大，CPU表面热流密度急剧增加，降低了芯片的性能和寿命，影响了系统运行的可靠性1.同时对CPU冷却方法也提出了很高要求，使冷却方法发生了许多变化。传统冷却CPU的方法通常采用铝挤压散热器，这种散热器在单位成本、重量和性能方面表现出了优越性。但随着计算机朝着紧凑性发展，散热器的冷却性能受到了限制，目前铝挤压散热器已趋于传热极限。因此，具有超导之称的热管受到了电子冷却领域应用的重视2.热管散热器已经是解决高热流密度CPU冷却问题的重要途径之一。

　　在解决CPU冷却问题时，选择和设计合适的散热器是十分关键的一步。散热器的性能与很多参数有关，如散热器结构尺寸参数和周围空气流速等，因此数值模拟方法已经成为一种重要的研究手段。用数值模拟方法代替试验研究可缩短产品的研制周期，减少耗费的人力、物力。前人利用这种方法已经做了很多的研究。Culham等利用商用软件Metal对自然对流条件下的风冷散热器的对流换热情况进行了数值模拟。Kitajo等分别用商业软件Fidap和Ansys对对流换热条件下风冷散热器的流场和温度场分布进行了数值模拟|31.STAR-CD公司根据散热器的材料、参数，模拟了目前Socket-T平台原配的“太阳花”散热器的散热状况|41，余鹏等也用STAR-CD模拟了矩形和圆形来流下风冷散热器的流场和温度场分本文结合当前的常规热管散热器和平板热管的特点提出新型集成热管散热器的结构设计，用CFD数值模拟方法对散热器的散热片参数和气流速度对散热器散热效果的影响进行分析，并根据未来CPU散热要求设计出一款集成热管散热器，用试验评价它的传热性能。

　　1集成热管散热器的结构特点为集成热管散热器的结构。散热器底部蒸发部分是平板微型热管，内部设置吸液芯结构来提供工质回流的毛细力。散热器的冷凝部分由多根矩形截面热管组成，在矩形截面热管内部设有通孔支撑架焊接固定连接，外部安装了散热翅片，与蒸发的平板热管合为一体形成了彼此连通的内通道式散热器结构。集成热管散热器是一种高性能的被动式相变散热器。当在散热器的蒸发部分加热时，管内处于高真空度状态的工质（纯7水或其他液态物质）受热迅速蒸发为等温饱和蒸气，蒸气在微小的压力差下流向冷凝热管，释放相变热并通过散热翅片将热量传递到周围的环境中。冷凝工质在毛细力作用下回流到蒸气腔里并重复循环|5'61.目前常规热管散热器是将一根或多根圆形热管嵌入与CPU接触的底部散热铜块上，热量通过热管传递到散热片覆盖的冷却端，通过散热片将热量散出。与常规热管散热器相比，集成热管散热器具有如下特点：集成热管散热器的平板热管直接与热源充分接触，减小了接触热阻；且平板热管的热流是二维的，具有更高的传热功率15.集成热管散热器矩形截面的热管工作腔在保证蒸气充分流动的基础上获得了更大的冷凝面积，减小了外部空气流动的阻力；矩形截面热管和平板热管直接相通，且它们之间不像常规圆形热管散热器要弯曲热管，确保了不降低热管的传热性能。

　　集成热管散热器散热翅片与冷凝热管外侧散热面的接触线长，接触面积大且接触充分，提高了散热翅片的换热效率，减小了接触热阻。

　　集成热管散热器的冷凝热管内设置内支撑结构并与热管外的散热翅片构成支撑体系，既可以强化传热，又可以防止热管在内压、外压或交变压力下产生较大的变形，增强了热管的强度6. 2集成热管散热器外部结构数值模拟研究2.1数值模拟数值模拟的集成热管散热器结构示意图如所示。其几何参数见表1.表1散热器的几何参数散热器翅片数量间距/mm厚度/mm蒸发部分平板热管矩形截面热管散热器数目质量/g当散热器内部冷凝的工质释放的相变热传递给散热翅片时，翅片与流过的空气进行热量交换。数值模拟计算是将固体和流体作为一整体进行处理，因而是流固耦合的传热问题。在求解时，采用整场离散、整场求解。

　　为了更真实地模拟计算气体散热器的实际流动与换热情况，保证气流在出口处没有回流，在不利的z方向上计算区域在入口部分延长出散热器厚度的1.5倍，出口部分延长出散热器厚度的4倍17.网格划分采用非均匀性网格划分方法，即散热器通道部分的网格划分较密，入口和出口延长部分的网格划分较疏，计算模型中固体的网格为33 856个，流体的网格为169982个，总网格数为203838.流动假定是三维、层流不可压缩的稳态流动。

　　根据实际条件假定在散热器通道入口和出口速度充分发展。假设流体在壁面上无滑移，流动是定常。

　　计算边界条件处理如下：假定热管内壁上为恒温，其温度由试验测得；进口给定流量，其具体数值由试验测出；出口给定环境温度所对应的压力；散热器的上、下表面按绝热条件给定；入、出口延长部分的固体壁面也按绝热条件给出。

　　根据上述假设和CPU集成热管散热器的结构特点，仅取了流动通道的1/4部分进行研究181.计算区域和坐标系如所示。选定散热器的两个矩形热管间的通道为计算区域。

　　采用STAR-CD软件进行数值模拟。在整个计算过程中，散热器的总散热量Q是指作用到平板热管底部的散热功率191. 2.2数值模拟结果分析2.2.1集成热管散热器数值模拟方法验证数值模拟的边界条件完全和试验测量的条件相同。在入口风速为2.1m/s，入口温度为20热管壁温为36°C的条件下对集成热管散热器的外部结构进行了数值模拟，主要计算结果如所示。从图中散热器翅片间空气流动的压力场分布可以看出，入口处空气流体的相对平均压力为26.64Pa，出口空气流体的相对平均压力为3.气流动受到的流动阻力较小，压力降仅为22.82Pa.此外，在靠近翅片和热管壁部分的相对压力也比较小。

　　从和可以看出整个翅片表面的平均温度为35.42°Q且沿空气流动方向，表面温度梯度变化逐渐减小，因此翅片表面换热系数也在逐渐减小。此外，和都显示出，流动出口约占通道40的长度范围内，翅片的散热效率很低，因而可以考虑减小散热器厚度来优化散热器。通过计算得到了集成热管散热器总散热量为149.散热器的换热系数为47.44WAm2K）。相同条件下试验测量的散热器的总散热量为138.4W，两者吻合得很好，误差为7.2.翅片表面换热系数改变热管壁温，对CPU集成热管散热器又进行了3组数值模拟。将上述模拟的结果与相同条件下的试验测量值进行比较，比较结果如所示。从图中看出使用STAR-CD软件计算的CPU集成热管散热器总散热量的数值模拟结果与试验值吻合很好，平均误差为3.42，因而用这种数值计算方法评价和预测及优化CPU集成热管散热器是可靠和可行的。

　　CPU集成热管散热器总散热量的数值模拟值与试验测量值的比较2.2.2各种参数对集成热管散热器传热性能的影响与参数选择不论风冷散热器，还是热管散热器，主要是散热翅片终将CPU的热量散到环境里，因而散热翅片的设计和气流速度将直接影响散热器的传热性能。下面将通过数值模拟计算来讨论散热翅片厚度、间距和气流速度对集成热管散热器性能的影响。同时为了满足未来CPU冷却要求而提出的散热器的设计要求，即散热量大于200W，风扇的风速要低于3m/s，重点考虑lm/s左右风速，散热翅片的入口和出口的压力降小于37.36PaCPU表面的工作温度低于70通过数值模拟方法确定参数的选择。

　　翅片厚度从图中可以看出在翅片间距一定的情况下，随着翅片厚度的增加，散热器的散热量和压力降也随之增大，但变化很小。然而，0.06和0.05mm厚的翅片过薄，气流速度过大会影响翅片的强度，因而0.08、0.09和0.10mm的翅片可以选做较合适的翅片厚度。在满足散热量要求和强度要求下尽可能减小翅片厚度来减少散热器的重量，因此选择0.08mm的翅片厚度作为理想的厚度。

　　固定散热器的翅片厚度0. 08mm，翅片数n由70减少到42，改变翅片间距d进行数值模拟计算考察翅片间距对CPU集成热管散热器传热性能的影响。其他条件同上，模拟的散热器大散热量和压力降的结果见、10.从图中计算结果可以看出，随着翅片间距的增加散热器大散热量先增加后减少，压力降则递减。翅片间距由0. 8mm增加到1. 0mm后，散热量增加了10W，压力降增加了11.12Pa；当翅片间距由1.0mm增加到1.5mm时，散热器的散热量减少了103.3W，而压力降仅降低11. 3Pa，这主要是由于翅片的间距增加，提高了对流换热系数，同时，翅片数目减少了换热面积，在翅片间距由0. 8mm变化到1. 0mm时，提高的对流换热系数大于换热面积的减少，而翅片间距由1.0mm变化到1.5mm则相反。综合分析后认为翅片间距在1.0mm左右为佳。

　　固定散热器的翅片厚度0.08mm，间距为1.mm，改变空气流速，将气流速度v从0.6m/s逐渐增加到2.1m/s，增加步长为0.3m/s，其余边界条件保持不变，模拟的散热器的大散热量和压力降的结果见不同气流速度下大散热量的比较2不同气流速度下压力降变化的比较从图中的计算结果可以看出，增加气流速度增强了翅片的对流换热，因此散热器的总散热量增加。但是，当速度持续增加时，散热量增加的幅度却越来越小，同时增加气流速度导致了压力降增加，噪音增大，整个系统的运行费用升高。所以应在满足散热量的要求下尽可能地降低气体流速，使整个系统的经济效益佳。从上面的数值模拟结果看出在风速较大时，虽然散热器的散热能力很高，但机箱内的噪音会相对高些，而在风速为1m/s左右时，既达到了噪音小的舒适效果，同时也满足了对未来CPU散热量达到200W的散热要求。因此选0.9m/s作为上述优化的CPU集成热管散热器的优风速。

　　2.3集成热管散热器的优化结构与数值模拟根据前面的数值模拟计算，减小了散热器沿气流方向的厚度；同时依据CPU的未来散热量，将矩形截面热管的个数由5根减少为3根并减少9m/s，入口温度为20热管壁温为70°C下，对翅片间距为1.0mm的CPU集成热管散热器优化结构进行模拟计算，主要计算结果如4和15所示。

　　计算结果表明，优化结构的散热器压力降为7.99Pa，总散热量为213. 9W，各方面都满足CPU散热器设计中的要求。结构优化后的散热器重量更轻，体积更小，耗材更少，经济性更佳。

　　3集成热管散热器的新结构与试验根据前面优化的集成热管散热器的结构，制造出的集成热管散热器的实物如6所示，其结构参数见表2.表2集成热管散热器的新结构参数散热器翅片矩形截面热管间翅片间距厚度/mm数量平板热管矩形截面热管散热器数目质量/g现|在7所示的试验台上对优化后的集成热管散热器的传热性能进行了测试。测试条件是风洞入口风速2. 55m/s，周围环境的空气温度29.4°Q散热器的热阻计算如下：空气温度之间的温差；Q是作用到平板热管底部的散热功率。试验结果见8、19.从8、19可见在整个测试范围内，集成热管散热器的热阻在0.1~.2°C/W变化，远低于目前的金属实体散热器的热阻，在散热量为185. 9W时测得的模拟CPU的表面温度仅为51. 3C在散热热阻稳定后可以推算出，在200W时模拟CPU的表面温度仅为53C完全满足了对未来CPU的冷却要求，且此款新结构的集成热管散热器在体积上减少了28，质量上降低了4结论（）CPU集成热管散热器具有散热效率高、结构紧凑、接触热阻小、重量轻、成本低等特点，大幅度提高散热器的冷却能力，满足未来高功率、高热流密度、多热源的CPU散热要求。

　　法与相同条件下的试验结果进行比较，二者吻合很好，误差是3. 42，因而所建立的模型和选用的计算方法是合理的。

　　利用建立的数值模拟方法计算了翅片间距、厚度和气体流速对CPU集成热管散热器传热性能的影响，并针对未来CPU散热要求确定了CPU集成热管散热器理想的翅片间距、翅片厚度和气体流速，为新结构产品的开发提供了依据。

　　根据提供的优化结构开发出了一款新结构的CPU集成热管散热器，并对它的传热性能进行了试验测试，结果表明：在模拟CPU的散热量为200W时，模拟CPU的表面温度仅为53完全满足了CPU的冷却要求，且与初始结构的散热器相比，在体积上减少了28质量上降低了48.