（制冷及低温工程专业论文）r600a在重力热管散热器中的工作实验研究.pdf

重庆大学硕士论文 摘要 摘要 随着随着超大规模集成电路( v l s i ) 和高速大型电子计算机的发展，集成电路 和计算机内的热流密度很快地增加。c p u 从较早期的i n t e l3 8 6 s l 、i n t e l4 8 6 s l 、 i n t e d x 2 、i n t e id x 4 发展到p e n t i u m 时代，速度越来越快。特别是p e n t i u mi v 中央处理器的推出，c p u 的发展迈进了一个崭新的时代。处理速度达到g 数量级， 功率消耗更达几十瓦。如何解决c p u 散热问题，成为关注的焦点。 本实验首次研究了绿色环保工质r 6 0 0 a 在一种铝质重力热管中的工作特性。 对其充灌量、散热量、电子元件( c p u 模拟芯片) 表面与环境温度之差及通风、流 速的影响进行了系统的测试，发现充液量与温差的关系在负荷不变时呈抛物线分 = = f l i ，其极小值点对应的充液量是最佳充液量g 。在充液量为g 时，对风速v 、散热 量q 进行的研究表明，当风速超过1 5 m s 后，奔腾芯片在6 0 w 发热条件下芯片 温瘦小于4 0 ，能满足长期正常工作。另外，本文还采用了不同的方法计算了c p u 重力热管液阻极限。 关键词： r 6 0 0 a ，最佳充液量，抛物线，热虹吸管，液阻极限 重庆大学硕士论文a b s t r a c t a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n t so fv e r yl a r g es c a l ei n t e g r a t i o n ( v l s i ) a n dh i g h s p e e dl a r g e c o m p u t e r s ，t h es p e c i f i cr a t eo fh e a tf l o wi n c r e a s e sr a p i d l y a st h ep e r f o r m a n c ea n d p o w e ro fe a c hg e n e r a t i o nh a v ei n c r e a s e d ，c p ud e v e l o p e df r o m3 8 6 s la n d4 8 6 s l ，t o d x 2 ，t od x 4 e s p e c i a l l yt h ed e t r u s i o no fp e n t i u mi v ，c p us t r i d e sf o r w a r dt o a s p i c k a n d s p a nt i m e s a n dt h ep o w e rd i s s i p a t i o no fc p u i sh i g h e rt h a ne v e rb e f o r ea n d t h ep r o c e s ss p e e do fc p ur e a c h e sa sf a s ta sb i l l i o nt h u sm a i n t a i n i n gc p us u r f a c e t e m p e r a t u r ea ta c c e p t a b l el e v e l sh a sb e e nac h a l l e n g i n gt a s ki nt h er e a l mo fh e a t d i s s i p a t i o n t h i se x p e r i m e n tf o c u s e so nt h ec h a r a c t e r i s t i co fg r e e nr e f r i g e r a n tr 6 0 0 ai nas m a l l p a r a l l e lf l o wa l u m i n u mc l o s e dt w o p h a s et h e r m o s i p h o na n dm e a s u r e sa l lt h eq u a n t i t yo f i n j e c t e dm a s sa n dh e a td i s s i p a t i o n ，t h es p e e do fa i ra n dt h ed i f f e r e n c eo ft e m p e r a t u r eo f t h ee l e c t r o n i ce l e m e n t ( c p us i m u l a t ec h i p ) s u r f a c ea n de n v i r o n m e n t i ts h o w st h a tt h e i n j e c t i o nq u a n t i t ya n dt h ed i f f e r e n c eo ft e m p e r a t u r ed i s t r i b u t ea sap a r a b o l aw h i c hi s a t t h es a m el o a d ，a n dt h em i n i m u mo f t h ep a r a b o l ac o r r e s p o n d st ot h eo p t i m u mq u a n t i t yo f i n j e c t i o n ( g ) u n d e rt h ec o n d i t i o nt h a tt h eq u a n t i t yo fi n j e c t e dm a s s ，t h ea i rs p e e da n dt h e h e a tq u a n t i t yi sr e s p e c t i v e l yg ，va n dq ，t h er e s e a r c hd e m o n s t r a t e st h a tt h ep e n t i u m1 v c h i p st e m p e r a t u r ev a r i a t i o nc a nb ec o n t r o l l e du n d e r4 0 。c a n dw o r kn o r m a l l yw h e nt h e w i n ds p e e do v e r p a s s1 5 m sa n dt h ep o w e rd i s s i p a t i o no ft h ec h i pi s6 0 w o t h e r w i s et h i s p a p e rc a l c u l a t e st h ef l o o d i n gl i m i to ft h e r m o s i p h o nw i t hs e v e r a ld i f f e r e n tm e t h o d s k e y w o r d s ： r 6 0 0 a ，o p t i m u mq u a n t i t yo fi n j e c t i o n ，p a r a b o l a ，t h e r m o s i p h o n ，f l o o d i n g l i m i t 重庆大学硕士论文主要符号表 a 管截面积 b o = d 4 9 ( p ，一p 。) 盯 c 。系数 c e = 3 2 胁( 0 5 b o “4 ) c ，= o 7 2 5 常数 c 。液体定压比热容 c 。经验常数 n r 无因次管径 无因次数 j ( k g k ) 主要符号表 u动力黏度p a s v 运动黏度m 2 s p密度 k g m 3 o 表面张力n m t 切应力n m 。 下标： d管径 m ，汽泡脱离频率 s 。1 厂，昭( p 厂p ，) 组合数 g充灌量 k g g重力加速度 m s 2 h 换热系数w ( r k ) ；液池高度m 球面波波高m k = ( 盟1 “t a n h 2b o “4无因次数 尸v 华鲁j 矗与 l高度 m 质量流量 n液体输送系数 n 毛细管总数 7 气泡数密度 pi 作匝) 3 p 。大气压力 0传热量 q热流密度 r = p i p 对比压力 r 汽化潜热 u 湿周 v 速度 希腊字母： x 导热系数 无因次压力准则数 m k g s k w c m 2 a 绝热 c 冷凝段，临界 e蒸发，当量 g 气体 i 内的 l 液体 w 壁面 m 一2 j d 。 尸。 w w m 2 气泡半径m ：总热阻k w k j k g m m s i n 重庆人学硕十论文 绪论 1 绪论 1 1 前言 近几十年来，制造技术的革命已经大大提高了硅芯片的集程度。1 9 7 1 年i n t e i 生产的第一个芯片只含2 3 0 0 个晶体管，a m d 公司最近推出的d u r o n 系列c p u ，在 l o o 平方毫米的芯片内部集成了2 5 0 0 万个晶体管，i 6 5 v 的工作电压和2 5 a 的工 作电流，总功率为4 1 w ，而i n t e l 最新的奔腾4 芯片! i l i j 集成了高达4 2 0 0 j - 个晶体 管。 l n t e l 公司奠基入之一的戈髓，摩尔在2 0 世纪7 0 年代发现，集成在芯片的晶 体管数量大约每两年增加一倍。这个经验定律被其后数十年芯片发展的实际情况 所验证，并被人们称为信息产业中的“摩尔定律”。按摩尔定律计算，到2 0 1 0 年， 芯片上品体管数量将超过1 0 亿。 随着超大规模集成电路( v l s i ) 和高速大型电子汁算机的发展，集成电路和计 算机内的热流密度很快地增加“。较先进的集成电路，其热流密度可达1 0 j w m 2 ， 美国3 0 8 l 计算机系列高密集成电路的峰值热通量已超过2 x1 0 6 w m 2 。如果集成电 路的热量不及时排除，必将影响整机的性能、可靠性和寿命。而中央处理器( c p u ) 作为计算机的大脑和指挥中枢，担负着极其繁重的任务。c p u 从较早期的i n t e l 3 8 6 5 l 、i n t e 4 8 6 s i 、i n t e d x 2 、i n t e ld x 4 发展到p e n t i ur l l 时代，速度越来越 快，消耗的电功率从最初的几瓦到现在的几十瓦，特别是p e n t i u m 【v 中央处理器 的推出，c p u 的发展迈进了1 个崭新的时代。处理速度达到g 数量级。 芯片性能的快速提高导致以信息技术为丰导的新经济蓬勃发展。然而，随着 晶体管集程度的提高，芯片耗能和敞热问题渐渐凸现出来。t n l e l 公司负责：占片内 部设计的首席技术官帕特盖尔欣格指出，在未来，托能和散热将成为一个根本性 的限制，必须在芯片设计中认真考虑这两个问题。如果芯片耗能艰i 散热的问题得 不至0 解决，到2 0 0 5 年芯片 ：集成了2 亿个晶体管时，就会热得像“核反应堆”， 2 叭0 年就会达到火箭发射i t , j 高温7 i 体喷嘴的水平，1 n j 到2 0 1 j 年就会与太阳的表而 样热。在2 0 0 1 年卡u “j rn ：j “州际固态电路会议”h1 l j 界上最大的电腑芯片制 造商n t e 【公r d 人声秩时，蛳粜占m 均性能继续以t 蜀速度发腱， 哺干散 热将成为横在其道路i 最人绊砌杠。能古解决这曲个川题，将成j , j 糕个俄息，、。 业甚至全球经济性命交父的人问题。 散热问题，直接父系到哑脑的稳定性，存这方i 叭l l l 1 _ ! = i 三为突。为c ) l 集成度高达几百万晶体辑，所以技热量 e 常大，普通的c 州投砸温发部j 以达到 5 0 8 0 度，而c w 】郝则史足高达8 0 甚至丁f 一白度。( p l 这种高步贞、高述以及集 重庆大学硕士论文绪论 成电路的高度密集和小型化的特点，使得c p u 对散热装置品质要求就越来越高。 解决不好散热会导致电脑性能的严重下降，引起死机、蓝屏错误、i e 错误、打开 程序错误、丢失数据、自动重启等等问题，严重时甚至还会影响电脑其他部件的 使用寿命。元器件在高温下的工作会导致性能劣化和加速失效，可以断定：高温 不利于设备的可靠性。化学原理确定的一条古老的原则指出：温度每提高1 0 化学反应速度就会加倍，就会使系统的n t 靠性降低一半“1 。以公布的数据表明：元 器件的失效率随温度升高按指数规律增加。必须采取适当的措施，将元器件的温 度降到实际可以达到的最低水平。现在计算机中的c p u 更需要有效、可靠的散热 器柬排除高温。如何解决c p u 散热问题，成为关注的焦点。 1 2 目前的散热技术 目前，散热技术快速发展，除风扇+ 散热片这种传统散热技术外，随着c p u 集成度的提高，发热量的增加以及便携式电脑的出现，涌现出许多新型散热技术 比如：散热板、键盘对流散热、水冷散热器、温控风扇散热、热管散热器、冷、 热板散热技术、采用金属框架等。散热更是笔记本电脑最大的技术瓶颈，主要原 因有两点：第一、笔记本内部空问狭小；第二、各部件集成度高。笔记本电脑的 散热问题关系到笔记本电脑的稳定性，如果散热状况不佳，会使处理器产生的高 温留在机器里，轻则导致电脑性能下降，影响其他部件的使用寿命，重则还会引 起死机或部件损坏。从而散热的方法更关系到笔记本电脑电池的寿命。不良的散 热方法，将导致大部分电池的能量应用于散热，从而缩短了电池的使用时间。i - 面，对各种散热方法作一简介。 i 2 1 风冷散热器 风冷散热器由散热j x l 扇、散热片、扣具、导热介质及环境因素五大要素组成。 c p u 将热量以热传导方式传至导热介质，再山导热介质传至散热片基部，山鼙部将 热量传至散热片肋片并通过腿扇与宅7l 分f 进行受迫对流，将热量散发到空气中， 风扇不断向散热片吹入冷空气，流出热空气，完成热的散热过程。其同定安装简 单、成本低。对j j 现在的电腑产品l m 吉，从安全性、易用性、经济性、实用性来 考虑，风冷散热是台式机首选。j x l 扇散热也是笔记木电脑采用的基本散热方式， 且又因其成本低，故大多数的厂商都采用这种散热方式。散热) 爻l 扇有低风量和高 风量两个档，风扇的速度视( 1 p l 的温度l m 定。最初，笔记本电腑c p u 是依靠与台 式机差不多的小风扇进行散热的，这种方法极其费电，且散热效粜也不佳。现在， 风扇的设计更加科学，许多笔记本电脑产品将风扇由原来的垂直于主板改为平行 重庆火学硕士论文 绪论 于主板，平行于主板的散热风扇可以不受机身厚度的限制，采用比较大的风扇 提高散热效率，而且平行于主板的设计可以保证机身作的更薄。 1 2 2 散热板 这是袖基本的散热方法。一般来说，散热板面积越大，传导效率越赢，就越 能有效散发热量。主机板的底部和上部，各有一块金属散热板：在c p u 的位置， 有协助散热的系统，接收来自c p u ，“生的热量。另外，和散热板结合使用的种 十分普遍的技术，是在键盘的f 方放一块尺寸和键盘基本相同的薄散热铝板，在 铝板上附有一根高导热率的铜导管，它可以将笔记奉也脑内部主要发热区域的热 量均匀散布到整个锚板上，并通过散热孔将热量散布到电脑外。 1 2 3 键盘对流散热 键盘对流散热不失为个很有创意的方法。我们知道，笔记本电脑很薄，当 把键盘装到主机板上时，键盘底部就会和主机板接触，于是，! ! 好可以利用键盘 底部将c p u 产生的热量传导出去。在键盘的构造上，每个按键都需要4 个孔才能 够容纳，热量于是经由按键孔排出，当热空气从按键孔排出时，冷空气就从按键 孔流入，以取代热空气。由此可以看出，键盘对流散热不仅充分利用了现有资源 和环境，而且颇为有效。有的笔记本还增加了独到的底部导风榜设计，以增强其 在底部的对流散热效果。 1 2 4 水冷散热技术 水冷敞热是h 前比较复杂但效果最好的一种散热方式。根据热力学原理，液 体的导热率远远大于空气的导热率。受传统汽车良好的散热系统的肩发，东芝公 i d 发 删r 只有里程碑意义的s u p e rc o o l i i l g 技术水冷散热技术。水冷散热是 对比较复杂但效果最好的一种敞热方式。它采用水和风扇制冷。它在硬体上表 现为个宽约为4 5 m m 的扁平会描导管，一端紧贴c p u 并带有温控风扇和散热块 一端在键盘的f 方并焊接有槽型金属片，整个彤状像扇形，沿途经过多个热源点 导管内部凫有纯水。这样热源点产生的热量，方面可以传导到带有风扇的散热 块t 弭通过风国产生快速气流自动通过通风孔敝失到机器外部，另方面导管存 主板的底部，利用空气的划流可以将热量通过机器的外壳散出。机器内部的热量 得到良好的控制，使得笔记本电脑在设计中性能可配茕得更高。 重庆大学硕士论文 1 2 5 温控风扇散热水冷散热技术 这是必不可少的散热手段。就是利用温度控制风扇的启停及转速。以浪潮飞 扬系列笔记本电脑为例，风扇尽量避免启动，当各类装置无法有效散热时，才启 动风扇，散热风扇有两个档：低风量和高风量，风扇的速度视处理器的温度而定。 当笔记本电脑的系统温度达到一定的温度，如达到7 0 摄氏度时，j x l 扇会自动打开； 当系统温度继续升高达到9 0 摄氏度时，c p u 的工作频率将降到额定频率的l 4 ； 如果系统温度降回到8 0 摄氏度时，c p u 的： 作频率恢复为额定工作频率；系统温 度继续下降到6 0 摄氏度时，风扇自动关闭。这种智能温拧系统不仅能够有效的帮 助笔记本电脑散热，而且为c p u 提供了自我保护的能力，使整个系统会变得更加 可靠、寿命也更长，同时还可以节省机器用电、有效降低噪音。采用这种技术的 有n e c 、a c e r 和联想等一大批厂商。s a t e l l i t e1 8 0 0 采用高效“涡轮增压风扇” 是确保散热效果的另一个重要手段。该风扇的设计原理为：通过流体轴的斜纹风 扇的高速运转，形成涡轮式风向，从而实现双面增压，使热量加快了排放速度。 智能型温控风扇的设计可以充分节省能源并有效延长电池使用时间。散热风扇利 用c p u 旁边的温度传感器随时监视温度，当温度过高时则提高脉波电流密度，自 动加速驱动散热风扇进行降温：当c p u 降温至设定温度后，经温度感测器感测后 送出较低密度之脉波电流，散热风扇将会降速运转，以智能型温度调整转速以达 到省电的功效。 1 2 6 散热热管技术 在众多的传热元件中，热管是人们所知的最有效的传热元件之。从热力学 的角度来看，物体的吸热、放热是棚对的，凡是有温度差存在时，就必然发生热 从高温处传递到低温处，这是自然界和工程技术领域中极普遍的种现象。而热 传递的：芎式有三种：辐射、列流、传导。1 9 6 3 年，美国l o sa l a m o s 幽家实验室的 ( ；m 6 r o v e r 在进行了性能测试之后，在美国应用物理杂志上公开发表了第 篇论文，并一式将此传热元件命名为“h e a t p e ”。它充分利用热传导原理 与致冷介质快速热传递性质，通过热管将发热物体的热量迅速传递到体外，它的 热导率已远远超过任何一种已知的金属，其当量导热系数叮达良好金属导热系数 的1 0 1 0 1 倍。它可以将大量的热量通过很小的截面积远距离地传输而无需外加动 力。1 9 7 0 年在美国出现了供应商品热管的部门，热管的应用从宇航扩大到了地面。 在热管发展史上值得一提的是在横穿阿拉斯加输油管线的工程中，应用热管作为 管线的支撑，保证地面的永冻层，以满足工程的需要，该工程共使用了t1 2 ，0 0 0 余根热管，单根热管的长度为9 2 3 m ”。 重庆大学硕士论文 在微电子设备中，一方面由于集程度的提高使半导体芯片的散热量急剧增加； 另一方面，由于小型化的要求，希望实现高密度组装，使机箱内的空间得到充分 利用。这样一束，机箱内的热量很难向外散失。微电子系统发热的特点是热源分 散而热流密度高，采用常规的强制风冷方式很难保证所有的发热点都得到有效的 冷却。如果能通过导热途径将热量冷板或机壳再散失到环境中，这是种比较好 的方案。热管作为一种良导热元件用于这种场合是最适合的。一方面可以将热源 与冷源分开：另一方面可将分散的热源集中起来处理。而且热管的冷凝段可加装 肋片，扩大散热面积，使得热流密度很高的芯片也可通过常规的强迫空气对流冷 却方式得到有效冷却。这样一来，机箱的空间就可以得到充分利翔，实现高密组 装，而不用担心箱内空气的流通问题。 有学者对赢接利用热管冷却半导体器件进行了深入的研究，根据对电子系统 的导热冷却系统的分析，最大温降往往在紧靠发热点附近，对于大功率晶体管， 从发热点到冷却点之洲大部分温降是由晶体管接点到管壳之间的热阻引起的，为 厂减小这部分温降，采用热管直接冷却接点的方法，取得了良好的效果。s c o t t “ 等人也报道了用平行热管将电子元件的散热传到冷板的装置，用热管代替铜导热 板后可使散热功率提高1 3 2 倍。 h o n gx i e ”。等人比较系统地研究了笔记本电脑的散热情况，指出解决散热的两 条根本途径：一是提高芯片封装技术。随着电脑性能和耗电量的增加，封装技术经 历了用于i n t e r3 8 6 s l 、i n t e r4 8 6 s l 处理桃的1 9 6 针脚的p q f p ，用于i n t e rd x 2 处理机的2 0 8 针脚s q f p ，以及现在用于奔腾机t c p 。封装技术的进步，使得笔记 本电脑越来越小、越来越薄，但传热性能却越来越好。t c p 虽然外型较小，但它以 聚酰亚胺为材料，采用了先进的表面安装技术、超薄设计等多项先进技术，使得 传热效果大大提高：二是系统改进。在i n t e rd x 4 推出以前，散热是个相对简 单的问题，冈为热流密度比较小，但随着c p u 功率的突匕猛进，维持设备温度在 可以接受的范围内，则是热设计丁程师面临的项挑战性的工作。二十世纪八十 年代，2 8 6 、3 8 6 笔记奉电脑利用c p l 表面和主板散热，九l 。年代早期，4 8 6 笔记 本电脑1 ： 乏用了设计颇为巧妙的敞热技术：热吸管、铝扳、热传导性能好的合成橡 胶、风扇等。为满足电脑f i = _ i 益增长的散热的要求，迫切需要制造出更为有效的制 冷设备。通过各种散热设备的实验比较，h o n gx i e 指出了采j j 下列措施，可以得 到较好的散热效采：热管与键盘联合；铝板与散热片；热管与外部锅板；风扇与 散热片。 为了提高芯片高密集成能力，改进芯片封装技术，1 9 8 9 年欧洲信息技术研究 和发展计划( e s p r i t ) 资助了一项长达弼年之久的名为“：毒片高性能封装” ( a p a c h i p ，e s p r i tp r o j e c t2 0 7 5 ) 的项目“1 ，其中该项目的目的之一就是解决多芯 重庆大学硕士论文 片模块的高效冷却问题。参与者进行了卓有成效的工作，各自提出了自己的实验 方案：g e c m a r c o n i 提出了浸没冷却模型，就是在密封装置内注入低沸点的绝缘 液体，利用核态沸腾高效传热的特点，把芯片的散热传导出去，外部则可用风冷 或水冷：b u l l 采用微波纹热管风冷系统；以及s i e m e n sn i x d o r f 的水冷板冷却系 统。该工作的重要性在于通过比较各种冷却方法所得到的实验数据，从技术和经 济的角度出发，以发现芯片系统设计中最好的冷却系统方案。 i b m 把热管应用于c p u 散热器，提出了一种很有效的散热技术，即散热管技术。 散热管是新型的散热装置，长2 0 c m 多直径o 5 e m 。散热管内有纤维和水，管内 抽成真空后，一端贴近c p u ，另一端则远离c p u 。它的工作原理是：真空状态下， 水的沸点很低。如果在管子的一端加热，水就会蒸发，将热带到另一端，水冷却 后再流回去，如此反复，热量就不断移动，和冷气机的工作原理类似。散热管的 优点是没有移动式的零件，全部零件都完全密封在内，不必消耗电池，同时可以 长时间有效。散热管是最新的散热装置，可以有效地将热从一端传导到另一端。 主机板的底部和上部，各有块金属散热板，在c p u 的位置，有协助散热的系统， 接收来自处理器产生的热，并将它导入散热管，这些高热经由散热管，沿着整块 金属散热板加以传导。位于主机板上部的散热板，和键盘接触，热就会从键盘排 出。同时外设带接口的支架，位于电脑后端，和空气接触。所以，我们也用这块 金属，来将处理器底部产生的热，经由后面的外设连接部传导出去。 台式电脑、服务器、工作站中的c p u 需要散热的功率可达5 0 i o o w ，这时， 采用单个微型热管己不能完成这种散热任务。近年来f u 3 i k u r a 公司开发出一种所 谓的“仙人掌”( c a c t u s t y p e ) 式热管l “。这种热管的散热效果与冷风的流速有关， 该热管在输入功率为8 0 w 时、风速2 5 3 5 m s 时，热阻大约为0 2 5 0 2 ( k w ) 。 1 2 7 冷、热板散热技术 除ri b m 的散热管技术外，比较有特色的还有乐芝笔记本电脑的冷、热板散 热技术。东芝在主板敞热方面处于领先地位，后来又发明了新的方法一冷板方法， 散热效率提高了大约6 j 倍，使笔记本电脑散热问题得到化解。首先是采用了独 到的“风冷冷板敞热”技术，即利用物理原理在冷却模块的表面开辟了智能风扇 口及排眦孔，从而更好地引导排风导向，加速散热速度。在冷却模块的背面，则 使用了铝合金及其他特殊材料物质，可以更好地进行导热。并且东芝s a t e l l i t e 1 8 0 0 的“散热冷板”采用了特别的固定方法，将散热冷板与c p u 模组更紧密地结 合在一起，这样确保系统中局部区域( c p u 模组区域) 的热量可快速、均匀散布到整 个铝板l ，继而可散布到周围。 重庆大学硕士论文绪论 1 2 8 金属框架 事实上，用金属做外壳对笔记本电脑散热有一定的作用，不过真正的散热主 力来自主机内部的金属框架。拿浪潮飞扬笔记本电脑来说，其内部采用了新型的 “机体内镁铝合金框架”，这种超轻量、高刚性合金框架的热传导率更高，它运 用辐射均温热对流原理，能在系统一般运转及待命状态下自然散热，省去出不必 要的风扇运转造成电力损耗及噪音，同时也更进步地提高了系统的稳定性。由 于笔记本电腩的内部构架更接近主机的发热源，因此采用新犁的高导热率金属材 料做笔记本电脑的构架才是真正由内而外的散热。 1 2 9 省电技术 这是减少笔记本电脑热量产生的必要技术。现在电脑的省电技术有i n t e l 的 s p e e d s t e p 变频省电技术，a m d 的p o w e r n o w 技术以及c r u s o e 的l o n g r u n 能源管理 技术，它们都能在很大程度上使笔记本电脑发出更少热能及噪音。以s p e e d s t e p 技术为例，它最突出的特点就是可以使笔记本电脑的电池使用时间延长3 0 ，该技 术能够根据电源类型自动改变处理器的内部工作频率和核心电压：当笔记本电脑 使用交流电源供电时，处理器以额定的内部频率运行，核心电压为1 6 v ；当笔已 本电脑使用电池供电时，在专用软件的控制卜，处理器降频到5 0 0 m h z 来运行，核 心电压也降至1 3 5 v 或更低，从而大幅度降低了处理器的功耗，减少笔记本电脑 热量的产生。采用a c p i 高级配置和电源管理，使在某一部件或外设在一段时间内 闲置时，暂时切断浚部件或外设的电源，以减少能耗。加卜强化省电状态管理、 自动休眠和挂起等措施，实现c p u 低速运行、显示屏暂时关闭、硬盘暂时停转和 电池智能监控等功能，降低了能耗。 1 2 1 0 其他散热技术 改进芯片的封装、降低芯片的功耗、使用节能技术、采用散热孔、合理分如 芯片。在 ：扳【i 的位置等，也是解决散热的一个方面。良好的封装技术可以使芯片 与主扳良好接触，增大接触面秋，使热量能够通过p c b 向四周扩散；芯片的功耗 低，那么它所产牛的热量就少；使用节能技术，在某一部件长时i 月j 不t 作时关闭 其电源，就口j 以进步减少热量的产生；合理分前 芯片在主板上的位置，叮以便 热源分散丌而不至于过分集中，热量就可以均匀地从各个方向向外散失。散热孔 是笔、庀本电脑散热的不可或缺的重要手段。目前的笔记本电脑都在机器的心周支 脚开设大量的散热孔，机器内的热量可通过这些散热孔散布到周围空气中。 重庆人学硕七论文 绪论 1 3 本论文的主要工作及特点 如前所述，热管以其良好的性能己逐步迈入c p u 散热领域，但是应用尚未普及， 而且主要集中在笔记本电脑且散热功率较小。在一般的台式电脑中还不多见。随 着大功率c p u 的普遍应用，热管应用于c p u 散热必定大有前途。 为解决c p u 散热问题，重庆大学制冷实验室为深圳富士康公司设计了一种新 型重力热管散热器很好地解决了c p u 散热问题，经长久运行实验，其散热功率 可达6 0 w ，而c p u 端部温度与环境温度之差在4 0 ( 2 范嗣i j 9 。它以绿色环保工质 r 6 0 0 a ( 异丁烷) 为工作液，冷凝段采用4 ( 排) 1 0 ( 毛组t 1 4 l ) 结构，其中每个毛细孔 为3 m m 3 m m 疗形，冷凝段高为6 5 m m ，总高为8 0 r a m ，低部沸睛池为6 8 m e 5 5 r a m 长 方形，池高j5 m m 。其外形圈如图1 i 所示： 本文作者对浚c p u 散热器进行了各种热力实验，包括：在变充灌量、变j x l 速、变功率的条件下散热情况的比较并根据结果绘制了t v ( 定充灌量) 、t p ( 定风速) 、t p ( 定充灌量) 、t m ( 定风速) 、t m ( 定功率j 等多种关系图， 以此求得浚c p u 散热器的最佳充灌量、最佳风速。 对微毛细管进行了理论分析：分析了工质的蒸发、冷凝过程，充灌量对散 热的影响，分析了c p u 散热器的热阻并绘制出热阻随功率变化关系图( 热阻r 一充 灌量m 图) 及其最大传输能力、液阻极限等。 幽1 1c p u 散热器外彤煳 f i g i l p h o t o g r a p ho fr a d i a t o r0 1 1c p uc h i p s 重庆火学硕士论文文献综述 2 文献综述 2 1c p u 重力热管简介 热管是一种具有极高热导的装置，能够在小的温度梯度下把热量从处传到 另一处。自从二十世纪六十年代美国l o sa l a m o s 国家实验室的g m g r o v e r 等 人发明了一种传热设备并把它命名为“热管”以后，“热管”囚其优良的导热性及 等温性、构造简单、重量轻、体积小、能在失重状态下工作等优点，而在许多方 面得到了广泛的应用。 典型的热管是由管壳、吸液芯、工作液和端盖组成，将管内抽到真空后充以 适量的工作液体，使紧贴管内壁的吸液芯毛细多孔材料中充满液体后加以密封。 管的端为蒸发段( 加热段) ，另一端为冷凝段( 冷却段) ，根据需要可以在两段中 洲布置绝热段。当热管的一端受热时，毛细芯中的液体蒸发汽化，蒸汽在微小的 压差下流向另一端放出热量凝结成液体，液体再沿多孔材料靠毛细力的作用流回 蒸发段。如此循环不己，热量由热管的一端传至另一端 两相闭式热虹吸管是热管的一种类型。它与普通热管一样，利用工质的汽化 与凝结以及工质不需要外部动力而自动循环来传输热量。它与普通热管不同之处 是管内没有吸液芯，蒸发段低于冷凝段，冷凝液从凝结段回到蒸发段不是依靠吸 液芯所产生的毛细力，而是依靠凝结液自身的重力。所以两相闭式热虹吸管又称 为重力热管或无芯热管，或简称为热虹吸管。热虹吸管与吸液芯热管相比较，它 不仅结构简单，成本低廉，而且传热性能优良，具有较高的传热极限。研究表明， 两相闭式热虹吸管临界热流密度比有芯热管大1 2 1 5 倍”1 。热虹吸管在地面应 用中有着j + 阔的前景，吸引了各国学者进行深入的研究。然而，由于热虹吸管内 流动与传热现象颇为复杂，受到许多因素的影响，完全用理论分析比较困难，一 般都是以实验为主，根据实验结果提出数学模型，作为设计计算的依据。 2 2 重力热管的传热过程 2 2 1 凝结段的传热 竖管内流动蒸汽的凝结是一个非常复杂的问题。山于几何参数、凝液速度都 是沿管长变化的，两桐流态和汽液相互作用也是在变化的，甚至两相都存在层流 和紊流的组合。因此，要精确计算其换热系数是困难的。 凝结换热是指蒸汽在低于其饱和温度得表面 凝结时的换热过程。无论是饱 重庆大学硕士论文 文献综述 和蒸汽( 包括湿蒸汽) 还是过热蒸汽，在低于其饱和温度的固体壁面或液体表面上 都能凝结。蒸汽在表面上凝结时，可能呈现两种状态：凝结液能润湿表面的膜状 凝结；凝结液不能润湿表面的珠状凝结。实验表明，珠状凝结的放热系数可大大 高于同样条件下膜状凝结的放热系数。正是由于这个优点，近年来对珠状凝结的 研究工作受到重视。为了实现稳定的珠状凝结，必须设法造成一个凝液不能润湿 的冷却表面。一般有两个途径：一是在凝结蒸汽中加入某种能促进珠状凝结的“促 进剂”。促进剂能在壁面上形成很薄的覆盖层，减小其表面张力，使其变为非润湿 表面，对促进剂的要求是与凝液不相容，在壁面有牢固的粘着性，有一定的流动 性，当覆盖层破裂后能自动修复。常用的有硬脂酸和油酸。实验表明，在水蒸汽 中加入浓度为3 5 0 p p m 的油酸痛，就能在铜、不锈钢和铜一镍等表面形成良好的 珠状凝结；第二种造成非润湿表面的途径是将凝结表面进行永久性的涂层处理， 如采用电镀法或喷涂法。可用黄金或聚四氟乙烯作为涂层材料。珠状凝结的机理 很复杂。已有学者分别提出了观点不同的几种模型。一种观点就是所谓的“核化 中心模型”，它认为珠状凝结的小液滴一开始只能在过冷壁面上的核化中心产生， 这些核化中心可能是壁面的小坑、细缝或固体颗粒。在一定过冷度下，它们就成 为凝结的核心，首先在其上出现液滴，然后其周围的蒸汽就在液珠表面上不断凝 结，类似于核态沸腾机理：另种由雅可布首先提出，认为凝结开始时液膜出现 在部分或全部的冷却壁面上，当薄膜达到临界厚度时丌始破裂，并在表面张力作 用下形成许多小液滴”。文献”对两相闭式热虹吸管的珠状凝结传热进行了研究， 该文作者认为液滴的生成机理具有膜分裂和核生成两重性，在凝结面形成薄膜， 此膜到达一定厚度时分裂而形成液滴，这些液滴优先处于明腔、沟槽等处，而那 些残存少量凝结液的凹腔、沟槽，呵能在膜分裂前就成为活化点；珠状凝结是在 液滴与液滴之间的凝结面上同时进行的。他以水为工质，用油酸和硅酸作促进剂 进行了实验，实验结果表明：以油酸为促进剂时，珠状凝结换热系数可为膜状凝 结换热系数的1 5 1 1 8 倍；以硅油作促进剂时，换热系数是般的热虹吸管凝 结段换热系数的1 ，3 1 5 倍。但随着蒸汽温度的降低，珠状凝结的强化效果变差。 总的晚来，珠状凝结的机理至今也不十分清楚，有待于丌展进步研究。 仃l 质能够润湿热虹吸管内壁面的情况下，一股认为像水蒸汽、制冷剂蒸汽 ( 氦蕉汽、氟犟昂蒸汽) 、碳氢化台物蒸汽等在凝结段的传热方式是饱和蒸气的层 流膜状：疑结换热。1 9 1 6 年，n l s s p l l 提出了静止蒸气在竖直擘丽卜层流膜状凝结 的理论分析，其解可表为： h 。2 如，二g ) = ( 4 3 ) 4 + j r e “3 ( 2 1 ) 式中：r e = ( 4 q ，f 。) 0 4 ，) 式( 2 】) 的得出是在一系列简化前提下得出的，其中有些假设和实际情况有一 重庆大学硕士论文文献综述 定的出入，主要在以下三方面：液膜流动的惯性力被忽略；：液膜中温度 分布是线形的：热平衡中只考虑汽化潜热，忽略液体过冷或蒸汽过热的显热。 汽液分界面上剪应力等于零的假设即使对于静止蒸汽也是不j 下确的，由于界面上 存在的剪应力阻碍液膜往下流动，造成液膜厚度变厚和局部换热系数下降，陈 等学者分析得出的结论是：对于p r 1 0 的介质，界面剪应力的影响很小，可忽略 不计；对于低p r 数的介质，界面剪应力的影响则不能忽略。文献 1 2 对热虹吸管 内蒸汽切应力作用下的凝结换热进行了研究，计算中考虑了蒸汽凝结时质量交换 所引起的切应力的影响，并将计算所得到的换热系数与根据n u s s e l t 理论计算得 到的换热系数相比较，结果发现：在蒸汽与壁面温差不大的情况下( 蒸汽入口速度 较低的情况) ，该文计算结果与n u s s e l t 结果相一致，这时剪应力的影响不大；但 随着蒸汽与壁面温差的变大( 蒸汽入口速度增大) ，则该文计算结果低于n u s s e l t 结果。该文献作者指出，这是由于界面切应力随蒸汽速度的增大而变大，因而降 低了液膜速度，使得液膜变厚，故换热系数减小。虽然式( 2 1 ) 与实际有较大偏差， 没有考虑蒸汽剪应力和蒸汽压力对凝结换热的影响，但对于流速不大的场合，如 电站冷凝器等，它与实验相差不大，可不加修正，且它正确揭示了换热系数随r e 的 变化规律，许多研究都表明层流液膜时有r e 。”。 r o h s e n o w 1 在进行分析时考虑了液膜过冷的影响，同时液膜中温度分布不采 取线形温度分布的假定。他得出的结论与式( 2 1 ) 类似，唯一的区别在于公式中的 汽化潜热应该用下式加以修正： j 1 o 6 8 c p ( r ，一7 1 。) 1 - i r 。= ，f l 一卫二二兰1 r 对于垂直放置的热虹吸管，文献 4 给出的平均换热系数为： ，h = 15 l ( p 。p 。) o “ ( 2 2 ) h 。为层流膜状凝结的理论值，根据r o h s e n h o w 的修j f 公式为： h n = o 9 4 3 ( 2 1 l 。) f c 3 户，( p ，一p ，) g ( v f ，( f 。一，。) ) ，+ o 6 8 c ，( ，、一，) 】 定性温度为t 一。+ o 3 l ( t 。f ，。) ，其中f ，为凝结段平均壁温。 w hh o ”l 等指出，在闭式热虹吸管内汽液两榴逆流，取决于充液量及热流密 度，仔n ：旧种转本组合流态：汽紊流一液紊流：汽紊流一液层流：汽层流一液紊 流；汽壁流一液层流。这种逆相流动不可能不对凝结换热产生影响。 b o ) is he m s k ye ta l 对竖管内流动蒸汽的完全i 疑结进行过系统的研究，最后 他们认为用f 列函数来关联管内蒸汽结果是合适的： n u f r o = j ( f r g a “3p r p r 、) ( 2 ： ) 及用仿照( v ，g ) 。柬构造的l o 。，! g 作为特征尺、九导出以下关系式： a 协，。= o 0 1 4 ( 7 a + o 2 a 28 1 ( 2 4 ) 重庆大学硕士论文文献综述 式( 2 4 ) 中无因次数组爿= f ，g a “3 ( p r ，p r ，) ，适用于彳= o 3 4 0 0 0 的范围。 根据大量的研究报道，可以看出：竖管内逆流蒸汽凝结主要和汽液界面的剪 切力和液膜重力的相对大小、蒸汽和液膜流态、管子内表面情况、两相流动结构 以及蒸汽压力等许多因数有关“”。逆流时，蒸汽流速阻碍了液膜的流动，使液膜 速度变低，膜层变厚，从而使放热系数下降。但当蒸汽流速大到某数值时，甚 至可将液膜吹脱，使其脱离壁面，放热系数又可能提高，但工作不稳定。对于缓 慢流动的蒸汽且液膜为层流时，传热主要受重力控制，其准则形式可表示为 n u = f ( r e ，g a ) ，且有n uzr e 。”。由于c p u 重力热管热通量比较小、蒸汽流速低 我们选用( 2 1 ) 来关联计算。 2 2 2 蒸发段液池内的传热 s h i r a i s h i 等认为，在蒸发段的液池内，当热流密度较小时自然对流，当热流 密度较大时液池内的核态沸腾，在凝结段是饱和蒸汽的层流膜态凝结。并用水、 酒精和r 1 1 3 作为工质，用内径为3 7 m m 、壁厚为4 m m 、长度为1 2 3 0 m m 的铜管作为 实验用热虹吸管进行实验，其实验结果与其假设的传热模型符合德很好“”。 在通常的热管工作条件下，靠近壁面的液体已有足够的过热度使其产生汽泡。 所以在热虹吸管的计算时可以认为液池内均为核态沸腾传热。由于在密闭容器内 沸腾，不像大空间沸腾中的汽泡可以自由地长大、脱离和浮升，因此不能用大容 器的沸腾公式。但闭式热虹吸管与开式热虹吸管内的沸腾极为相似，所不同的仅 为工作压力。借用开式热虹吸管内的沸腾传热系数，并对沸腾压力作必要的修正， 得出闭式热虹吸管液池内核态沸腾的换热系数为 h p = 0 3 2 乞0 6 5 筹03 簪0 2 ( p 俨秽 2 5 ) p ，脚 式中，( p 只o2 3 即为压力修难项。只为大气压力。 r o h s e n h o w 经过研究，得出了水和有机液体核态沸腾的个有用的关系式。他 提出的物理模型是，他认为热量是直接从加热表面传递到临近液体( 如象自然或受 迫对流那样) ，并且热流密度的增加是由于脱离泡沫尾流后面液体流动增强的缘 故，汽泡引起对流换热。由因次分折得到： 筹t 恃j 孟与r ” ( 2 6 ) 式中，c 。一取决1 二加热表面液体组合情况的经验常数； s 一经验指数，对于水s = i ，对于其他液体，s = 1 7 ； f o r s t e r 和g r e i 1 提出了种机理，认为各个汽泡起微小而有效的泵浦作用 重庆大学硕士论文文献综述 使热液体从热边界层推入容积液体，冷液体则从大容积部分抽吸到加热表面，这 样在尾流中便汲出热层液体的一部分，得到热流密度的表达式为： g ：c 舯g 斌。3 ) ( 华一t ，) y n - ( 2 7 ) j上 式中，r 。为汽泡半径，厂为汽泡脱离频率