基于ANSYS技术的CPU热管式散热器换热规律

基于ANSY取术的CPU热管式散热器换热规律实验研究与数值模拟胡永海童正明叶立(上海理工大学动力工程学院，上海200093)摘要：CPU的工作温度是判断CPU性能的一项重要参数，为克服解析计算求取CPU温度精确值的困难，本文利用ANSYS有限元软件对热管式散热器与普通翅片散热器进行了热特性分析，模拟计算出稳态温度场分布，以及不同功率下CPU中心点的换热特性。研究结果表明，在稳定状态时，热管式散热器较普通翅片散热器具有极强的热传导性能；在CPU高功率工作时，普通翅片散热器CPU温度超过85C无法满足换热要求，而热管式散热器CPU温度低于75C，完全达到换热效果；模拟计算值与实验值最大相差 4.「C,应用数值模拟的方法研究CPU热管式散热器换热特性是可行。关键词：CPU，热管；热分析；实验研究；ANSYSExperimentandNumericalstudyofHeat-pipeRadiatorin

theCPUbyusingofANSYS

HUYong-hai，TONGZheng-ming，YELi(CollegeofPowerEngineering,UniversityofShanghaiforScienceandTechnology,，Shanghai200093,China)Abstract：ThetemperatureofCPUisanimportantparameterforthecapabilityofCPU,butit'hsardtogetaccuratevaluebyusinganalyticalcalculationmethod.Inthispaper,thermalanalysisofheat-piperadiatorandribbedradiatorwasperformedusingANSYSfiniteelementsoftwareandthetemperaturedistributionaswellastheheattransferatthedifferentpower.Theresultsindicatethatheat-piperadiatorhasgreaterheattransfercharacteristicinastablestate.Inhighpower,thetemperatureofCPUbyusingribbedradiatorismorethan85C,whilethetemperatureislessthan75Cbyusingheat-piperadiator.Theexperimentbasicallytallieswiththevalueofnumericalcalculation.Keywords:CPU;Heat-pipe;Thermalanalysis;Experiment;ANSYS1.引言当今电子产品的热设计中，由于热流量的不断提高，仅采用标准的翅片式散热片很难满足要求。热管由于其导热性能好，热阻小，可将热量稳定地由一处传递到另一处，故通过热管将热量由空间小处传递到一定距离外的相对大空间里的散热片上，可利用空气自然对流的方式达到电子产品换热的目的。殷际英[1]对热管型CPU散热器总传热性能的研究表明热管型散热系统可以远距离传递热量，适合与在有限空间内大功率CPU芯片的散热。孔巧玲和贺建华[2]对热管在笔记本中的不同布置位置对散热性能的影响进行了研究，主要为三种方式：通过底板散热，通过键盘散热与通过显示器散热。李燚，张永恒 [3]用数值模拟的方法研究了CPU散热器换热特性，其研究结果为电子设备的设计提供和改进提供参考。除了对整个热管散热系统得研究外，对各个部件的研究也很多。 LeonardL.Vasiliev[4]对目前热管发展的情况进行了比较详细的介绍。基于上述分析，本文分别建立热管式散热器与普通翅片散热器几何模型，利用 ANSYS有限元软件进行热特性比较分析， 模拟计算出稳态温度场分布， 以及不同功率下CPU中心点的传热特性本文利用数值模拟的方法,分析了热管式散热器与普通翅片散热器在 CPU工作状态下的温度场分布，以及CPU在不同功率下传热特性，并对其计算结果进行实验验证。2•实验系统与实验方案如图1所示，整个实验系统由风机、数据采集器、加热器以及热管散热器四部分组成。入口段较长，使气流流经热管换热器后速度分布接近均匀， 实验中，热管表面温度由布置在热管表面三个热电偶测定，其测点 R1、R2和R3位置如图2所示，对应于计算模型中的第486、33和215号结点。在其测点表面布置热电偶， R1、R2和R3的温度值全部由数据采集仪（HP34970A记录，只要验证实验测量得到的温度特性参数与该处模拟计算结果相吻合 ，即可说明上述模拟方法与结果的可行性和可信度。 加热方式采用电加热，由模拟加热块，通过无根电阻丝加热棒提供电加热热源，输入功率由变压器控制，有电流电压表显示。图2实验测点位置图Fig.2Measuringpointofexperimental3•数学物理模型图3（a）、（b）分别为热管式散热器与普通翅片散热器的二维简化模型，其结构几何参数为：热源 CPU长a=0.025m，宽b=0.02m，高h=0.0075m，热管和翅片高度均为0.05m，其间隔均为0.004m，热管直径与翅片厚度均为0.005m，热管数和翅片数为9个。模型外部通过空气自然对流进行换热，取周围空气选用室温20C，空气对流换热系数 12W/m叱。

Fig.3(a)Two-dimensionalmodelofheadpipeu2a2Fig.3(a)Two-dimensionalmodelofheadpipeu2a2J'图3(b)普通翅片散热器二维简化模型CPU的材料属于典型的复合材料，其力学参数和热学参数都比较难以确定。为了简化计算，本文把 CPU看成均质各向同性材料，即用晶体管的性质作为整个CPU模型的热学参数，计算所需材料参数如表1所示表1材料参数导热系数W/mC比热容kJ/(kgK)密度Kg/m3晶体管500.5003500翅片(铝)1120.9042611对于二维模型，ANSYS提供的网格单元有四、五、八节点四边形单元 QUAD为了便于分析，本文只考虑x-y平面的散热过程，采用四节点四边形等参单元 QUAD生成网格，每个单元上有4个节点，每个节点上具有一个自由度一温度。由于本文假定热管和翅片材料模型为均质各向同性，而且生成的实体为简单实体，而且不存在阶越点，因此，网格采用 ANSYS提供的智能网格戈卩分方法，所以采用该方法比较有效。对本文建立的数学模型做如下基本假设：热管的材料性质不随时间的改变而改变。热管为一实心固体，以此计算热管等效传热系数。CPU在连续工作一段时间后，达到热平衡状态，可以看做稳态热传导问题。(4)忽略辐射换热。4•结果分析图4和图5分别是热管式散热器与普通翅片散热器在 CPU功率40W下工作1800秒时的温度分布图。从图中可以看岀热管式散热器的温度分布几乎没有梯度，整个散热器的温度分布比较均匀，这也与热管的等温特性相吻合。而普通翅片散热器在 1800秒时，整个散热器的温度分布成明显的梯度分布，梯度跨度较明显，越靠近热源处温度越高，温度最大值处在 CPU发热块中心处，温度值为 342.6K，而热管式散热器发热毋务[ME Jtn.rt 3Li：i.H? ]L7.4P^Db.243 307=712: $M.Ll± ^fO.^52 醜九HE块中心处最高温度为327.1K毋务[ME Jtn.rt 3Li：i.H? ]L7.4P^Db.243 307=712: $M.Ll± ^fO.^52 醜九HE图4热管式散热器工作1800秒时的温度分布 图5普通翅片散热器工作1800秒时的温度分布Fig.4Temperaturedistributionofheadpipeat1800s Fig.5Temperaturedistributionoffinat1800s随着电脑配置的逐渐提高， CPU的功率也不断增加，本文还考察热管式散热器和普通翅片散热器不同功率下CPU中心点的温度随时间的变化关系如图 6和图7所示。从图中可以看，在900秒之前中心点的升温比较快，在900秒至1800秒之间温度上升比较缓慢趋于平行，在 1800秒之后达到了稳定状态，在 30W和40W勺情况下，热管式散热器和普通翅片散热器中心点的温度最大值都小于 75C，在CPU所能承受的正常范围内。但是在50W和70W的情况下，普通翅片散热器中心点的温度值已经达到 85C以上，已经超出了CPU所能承受的范围，无法满足换热要求，而热管式散热器中心点的温度仍热小于 75C，所以使用热管式散热器可以满足CPU在高功率下也能正常使用。图6热管式散热器在不同功率下的温度曲线 图7普通翅片散热器在不同功率下的温度曲线Fig.6TemperaturecurveofheatpipeatdifferentpowerFig.7Temperaturecurveoffinatdifferentpower取CPU稳定工作所需时间为1800秒,CPU功率40W空气为自然对流，流速分别取V1=0.2m/s、V2=0.4m/s、V3=0.6m/s，环境温度20C。图8显示的是不同空气流速下三个测点测量出的温度特性参数与模拟计算出的温度特性参数，对于测量数据，采用多次测量求均值的方法以消除随机误差的影响，数据表明，当自然对流下空气流速为0.4m/s时，模拟计算值与实验值最为接近，其中测点 R1误差最大，其模拟计算值与实验值相差4.1C，这是由于CPU与热管接触处导热硅胶热阻所致。因此 应用数值模拟的方法研究 CPU热管式散热器换热特性是可行。图8实验值与计算模拟值对比图8实验值与计算模拟值对比Fig.8Comparisonofexperimentandsimulation5.结论本文通过有限元方法， 利用ANSYS软件对CPU普通翅片管散热器与热管式散热器数值模拟分析，得到如下结论：(1)在稳定状态时，热管式散热器较普通翅片散热器具有极强的热传导性能，热管式散热器CPU发热块中心处最高温度相比普通翅片散热器 低15.5C；当CPU功率超过50W，普通翅片散热器 CPU温度超过85C无法满足换热要求，而热管式散热器 CPU温度低于75C，完全达到换热效果；当自然对流下空气流速为 0.4m/s时，模拟计算值与实验值最大相差 4.1C，因此应用数值模拟的方法研究CPU热管式散热器换热特性是可行。参考文献殷际英，热管式CPU散热器总传热能力的研究[J].机械设计与制造,2004(4):12-13孔巧玲，贺建华，热管在笔记本电脑散热中的应用 [J].电脑开发与应用，2004,17(2):39-41.李燚，张永恒，CPU散热器换热特性的数值研究[J].制冷与空调，2007,21(4):98-100LeonardL.Vasiliev.Heatpipesinmodernheatexchangers.AppliedThermalEngineering,2005(25):18-20陶汉中，张红，庄骏•高速芯片模块热管散热器的数值传热分析 [J].南京工业大学学报,2004,26(1):68-71.PastukhovVG,MaidanikYuF,VershininCV.Miniatureloopheat