CPU散热器散热效果分析

1、低温与超导第36卷第10期制冷技术Cryo . &Supercond . 收稿日期:2008-09-08基金项目:陕西省自然科学基金(2. 01E +133 ; 台达环境与教育基金会“电力电子科技发展计划”资助。作者简介:张亚平(1977- , 女, 讲师, 博士, 主要从事电子热治理及强化传热的研究。CP U 散热器散热效果分析张亚平1, 2, 冯全科1, 余小玲1(1. 西安交通大学能源与动力工程学院, 西安710049;2. 西安科技大学, 西安710054摘要:对平直型散热器在顶送风和侧送风进行了数值模拟, 结果表明顶送风温度场左右对称, 而侧送风入口温度较低、出口温度较高,

2、固体区域温度比侧送风时整体降低了10左右, 强化了散热器散热。因此对于不均匀热源应在基板上尽量分开布置, 功率密度前密后疏型布置可以有效降低基板温度。要根据流场和温度场的耦合关系来设计散热器的形状, 充分利用流场。可以增加风扇风速或充分利用风扇出口处高速区域, 来增加散热器的换热系数从而降低热阻。关键词:散热器; 送风; 温度Ana lysis of effect ther ma l d rad Zhang Yap ing1, 2, 1, 1(1. School of Energy and J 710049, China;an ogy , Xi an 710054, China si was

3、out the liner radiat or fr om t op and side air supp ly . The result revealed that te mperature field op was full of sy mmetry, however inlet te mperature of the side air supp ly was l ow and outlet te m 2perature was higher, and the s olid regi on te mperature is reduced about 10than that of side a

4、ir supp ly . So heat transfer of the ra 2diat or was enhanced . Hence heat s ource was separately arrange mented . Substrate te mperature was effectly reduced when power density was layed fr ont dense and back s parse . The shape of the radiat or was designed according t o coup le relati on of the f

5、l ow field and te mperature field , which could take full advantage of fl ow field and raise fan wind s peed, s o that increase heat transfer efficient and bring down ther mal resistance .Keywords:Radiat or, A ir supp ly, Te mperature1前言目前CP U 芯片的发热量已猛增到每平方米70W 80W , 透过散热器基板传导的热流密度已高达104W /m2105W /m

6、2量级1。而且其体积越来越小, 频率和集成度却大幅度提高, 高热流密度的产生使芯片冷却问题越来越突出。电子设备失效的55%是由于过热引起2, 而作为CP U 冷却的主要器件散热器也得到了显著关注3-4。平直型散热器是非常典型的一种散热器, 鳍片平行排列, 片间距离均匀、空间连贯, 利于空气通过5。其最大优势在于各肋片形状相同或相似, 排列整齐、规律, 成形与结合工序相对简单, 适合于工业化大规模生产。肋片与吸热底面垂直相连, 空气由顶部进入、侧面流出。目前市场上绝大多数的散热片均系采用此种设计。本文针对平直型散热器顶送和侧送两种送风方式下的流场和温度场进行模拟, 对比了散热性能的影响因素。数值

7、模拟结果有助于散热器的结构设计和热源布置。2散热器模型图1是整体平直翅片式散热器, 具体几何尺寸参见表1及图2。取散热器中央的一个流道, 通道的左右两侧壁各取肋片的一半, 三维计算模 型见图2。将模型的计算区域分成了两个部分, 其中散热器区域为固体区域, 空气流动区域为流体区域, 采用非结构化三维混合网格对计算区域图1散热器模型尺寸示意图Fig . 1Radiat or di m ensi on图2散热器计算模型Fig . 2Radiat or model表1散热器尺寸表Tab . 1Radiat or di m ensi on散热器mm 肋长L肋宽W肋高H504925肋厚b肋间距s基板厚h流

8、道数130. 2 12图3侧送风计算模型Fig . 3Side air supp ly model进行离散化。模拟时作如下假设6:(1 流体物性参数为常数; (2 流体在壁面上无滑移;(3 流动是定常的, 且是对称的;(4 假设散热器的换热主要为对流换热, 沿肋片高度方向的导热忽略不计;(5 出口满足局部单向化;(6 不考虑自然对流换热及辐射换热; 对比侧送风和顶送风两种模型时散热器温度场和流场的分布(见图3、4 。图4顶送风计算模型Fig . 4Top air supp ly model3, 取等温; 流体的初始温度为27, 湍流动能k取来流速度平均动能的0. 5%, 按式=C k 2/t

9、求取。采用自由出流边界条件。与CP U 直接接触的散热器底面采用固定热流量壁面边界条件, 与空气进行对流换热的两侧壁面采用固体区域和流体区域耦合传热。采用标准k -湍流模型计算。区域底面设为等热流密度边界条件, 通道两外侧壁面设为绝热边界, 采用无滑移壁面条件。流固耦合面上的边界条件设置按照壁面函数法来确定7。采用SI M P LE 算法求解。4计算结果与分析4. 1两种送风方式比较由图5可以看出, 顶送风方式下风速与肋片表面最高温度的关系与侧送风是相似的, 在60W 顶送比侧送时散热器底面最高温度降低15。因为顶送风时送风量较大, 流过肋片的时间较短。而CP U 表面温度分布的不均匀容易引起

10、CP U 内部产生较大的热应力, 影响CP U 的使用寿命。由图6、7可以看出:流速越大, 换热系数越大, 热阻越小, 且两种送风方式的换热系数相差不大。风速的增加对热边界层的减薄是有限的, 加热功率对换热系数影响不大。因为加热功率提高, 对流换热量和翅片表面平均温度也提高, 两者的共同影响, 使得换热系数无显著变化。47制冷技术Refrigerati on 第10期 由图8可以看出:在流速较高时, 计算与文献8实验趋势线一致, 但在低流速下, 存在一定误差, 因为计算所用风速是肋片间流体速度, 而实验中风速是风洞入口风速, 实验中肋片间流体速度不方便测量, 而理论计算中是肋片间的流体速度,

11、在低流速下, 这一差异表现得更加明显 。图5Fig . 5 m u 图6风速与热阻的关系 Fig . 6W ind vel ocity and ther mal resistance图7风速与传热系数的关系Fig . 7W ind vel ocity and heat transfer coefficient4. 2两种送风流场对比分析对比图9、10可以看出, 顶送风时温度分布是左右对称的, 而侧送风入口温度较低、出口温度较高, 顶送风固体区域温度比侧送风时整体降低了10左右, 强化了散热。因为风速一定时, 顶送风的风量是侧送风的2倍。因此, 对于不均匀图8侧送风计算和实验对比 Fig . 8

12、Side air supp ly experi m ent computati on图9顶送风X =4mm 处的温度(K Fig . 9Te mperature of t op air supp ly at X =4mm图10侧送风X =4mm 处温度(K Fig . 10Te mperature of side air supp ly at X =4mm热源如双核电脑处理器, 其CP U 热源在基板上应尽量分开布置, 采取功率密度前密后疏型布置可以有效降低基板温度。采用顶送风的进气方式比侧送风的冷却效果要好。可以看出流场和温度场是耦合的, 温度场的分布主要取决于流场, 形状和流场相吻合的散热

13、器散热效果明显要好。57第10期制冷技术Refrigerati on 4. 3散热器综合性能分析综合考虑散热器上散热量和空气压力降, 定义无量纲品质因数, 表示肋片散热量Q (W 与空气通过通道消耗的功率P (W 之比:=Q /P由图11可看出, 空气流速逐渐增大时, 平直型散热器散热量和消耗功率都逐渐增大, 但散热量提高的速度没有压力降提高得快。因而逐渐减小。空气入口流速较小时, 流速变化对影响显著。当流速持续增大时, 流速变化对的影响越来越小。由图12可看出:u 0=3m /s 时, 散热器的肋间距在5mm 左右时, 其会出现最大值, 散热器的综合性能最好 。图11流速与的关系Fig .

14、11Vel ocity and 图12肋间距与的关系Fig . 12R ib s pace and 5结论(1 同一平直型散热器, 在送风速度、加热功率相同的条件下, 60W 顶送比侧送时基板表面最高温度降低15。因为顶送风时的送风量较大,流过肋片的时间较短。(2 顶送风温度分布是左右对称的, 侧送风入口温度较低、出口温度较高, 固体区域温度比侧送风时整体降低了10左右, 强化了散热器散热。因此对于不均匀热源如双核电脑处理器来讲, 其CP U 热源在基板上应尽量分开布置, 功率密度前密后疏型布置可以有效降低基板温度。(3 要根据流场和温度场的耦合关系来设计散热器的形状, 充分利用流场。可以增加

15、风扇风速或充分利用风扇出口处高速区域, 来增加散热程迎军, 罗乐, 等. 多芯片组件散热的三维有限元分析J .电子元件与材料, 2004, (5 .2H ideo Jwasaki,Massaru Ishizuka . Forded convecti on aircooling:Characteristics of p late fins f or note book per 2s onal computers C .2000I nter S ociety ConferenceTher mal Phenomena, 2000, 21-26.3余鹏, 孙晓伟, 曾艳, 等. 垂直均匀射流下CP U 散热器换热性能的数值分析J .工程热物理学报, 2003, 24(3 :415-418.4李小跃, 唐连伟, 何雅玲, 等. 两种CP U 散热器换热特性的数值研究J .制冷与空调, 2006(1 :8-12.5陆正裕, 熊建银, 屈治国, 等. CP U 散热器换热特性的实验研究J .工程热物理学报, 2004, 25(5 :861-863.6韩宁, 王世萍, 谢少英. 强迫对流散热器的优化设计J .计算机工程与科学, 2001, 23(4 :66-68. 7陶文铨. 数值传热学M.西安:西安交通大学出版社:第2版, 2003.8R ichard Culha m J, M ich