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多芯片用热管散热器的数值分析和实验研究

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1 引言

,能不,,耗散功率急剧增加,高是影使性能寿关键因素,散热问题变得越来越重要。只有维持在合理温度范围内使用才能保证其正常运行。

这里对芯片用热管散热器进行散热设计。采用商用CFD软件对热管散热器进行了数值计算和优化分析,并对热管散热器进行了实验测试,最终设计出一款符合散热性能要求的热管散热器。

2 数值分析过程

2.1问题描述

这里所设计的散热器尺寸为宽156mm,长170mm,高26.5mm,其上面装有6个芯片,需要散热,芯片发热量和散热要求各不同,详细信息见表1。其中,P为发热量;Rs为要求热阻;ΔTs为要求温升。强制风冷风量为76.5m3/h,要求设计的散热器压力损失小于180Pa,假定环境温度为40单个芯片热阻=单个芯片对应的散热器底面的温升/单个芯片发热量。

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2.2物理模型

由于设计的散热器相对规则和简单,可直接在CFD软件内建立散热器的三维模型。简化芯片热源为均匀的平面热源。根据芯片发热量和热阻要求,设计了不同参数的翅片组。图1为散热器的三维CFD模型。三维模型完成后,进行网格划分。然后根据问题描述里的信息设定边界条件,进口边界为恒定风量入口,出口边界相对静压为0Pa。操作压强为一个标准大气压。设定收敛残余值,当所有参量的残余误差小于或等于设定值时,计算收敛并结束计算。图2为热管散热器的翅片组和热源的分布图。

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两种方案热管散热器参数如下所述。方案l釆用了3种不同参数的翅片组,翅片高21.5mm。其中,翅片组1:翅片厚0.2mm,长35mm,间隙1.06mm,翅片数96;翅片组2:翅片厚0.2mm,长122.5mm,间隙1.61mm,翅片数67;翅片组3:翅片厚0.2mm,长122.5mm,间隙1.06mm,翅片数29;热管:4根,直径6mm,管壳材料为紫铜,工质为蒸馏水,热管的吸液芯结构为烧结式。方案2采用了2种不同参数翅片组,翅片高21.5mm。其中,翅片组1:翅片厚0.2mm,长40mm,间隙1.73mm,翅片数63;翅片组2:翅片厚0.2mm,长98mm,间隙1.14mm,翅片数117;热管:3根,直径6mm,管壳材料为紫铜,工质为蒸馏水,热管的吸液芯结构为烧结式。

对于强制对流散热器,3种传热方式中的导热和对流换热占主导,辐射换热可忽略。在设计优化散热器中主要考虑如何增强导热和对流换热。采用高导热系数的材料或通过局部嵌入高导热部件增强导热。考虑导热性能和材料成本,这里设计的散热器翅片材料为纯铜,底板为铝6063-T5,板厚为5mm,并在其底部嵌入热管。热管的超热导性在电子芯片的散热中得到了广泛应用。由于芯片小,热源集中,通过热管将热量扩散到散热器的其他区域,然后热量传导到跟底座焊接在一起的翅片上,翅片跟空气间存在强制对流换热,从而热量被带走,降低了散热器和芯片的温度。为了强化对流换热,尽可能增加散热器的换热面积,特别是局部热量集中区域,采用了不同翅片参数的翅片组,并在翅片组间增加了间隙,杜绝翅片组间的导热传热,减小不同芯片间的传热影响。

2.3数值计算结果及分析

方案1采用了3种不同参数的翅片组,4根热管,计算结果见图3。图3显示了散热器底板的温度分布,温度最高点发生在最大发热量的芯片H1上,H1的测点温升为21.5I,比要求的21.6t仅低0.1散热器的压力损失为162.8Pa。方案1设计的散热器的散热性能刚好达到所要求的散热能力。为了增加余量,需要进一步优化分析。根据温度分布,需要调整热管的布局,将中心芯片H1的热量更好地传导到散热器的其他区域。根据压力损失,需要调整翅片间隙和长度,来降低压力损失,但不能影响换热。

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方案2釆用了2种不同参数的翅片组,3根热管,考虑到热管的反重力方向使用情况,重新进行了布局,计算结果如图4所示。图4显示了散热器底板的温度分布,较方案1的温度有所降低,各芯片的温度都能满足其要求,散热器的压力损失为159.4Pa。芯片上的温度和散热器的压力损失都能满足使用要求。

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2为两种热管散热器方案的计算结果总结,经对比发现:在散热性能方面,方案2要优于方案1,方案2的成本要比方案1的成本低。所以选定方案2为最终设计方案。

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3 实验分析

对设计的方案2热管散热器制作了样品并进行了不同工况下的实验测试。由于芯片发热面积小,用陶瓷加热片来模拟芯片发热。由于芯片H2,H3,H4的发热量相同,H2,H3,H4合用一个输入电源来控制其发热量;H5,H6的发热量相同,H5,H6合用一个输入电源来控制其发热量;HI用一个输入电源来控制其发热量。在每个芯片下凸台内中心位置预留了孔来安装热电偶,用以测量每个芯片散热器上的温度。该实验在风洞实验台上完成,风洞实验台主要由风机、竖直风道、控制系统、测量仪表、输入电源等组成。

测试了在散热器上6个芯片发热量一定(H1:180W,H2,H3,H4:20W,H5,H6:16W),风量为17-102mVh下的热阻和散热器压降,测试结果如图5所示。各芯片在发热量一定的情况下,热阻随风量增大而减小,这是因为风量越大,热管散热器的对流换热越强,散热器的换热性能越好。不过散热器的压降随风量增加而增大。

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测试了在风量为76.5m3/h,芯片HI发热量为180W,芯片H2,H3,H4发热量为8-28W,芯片H5,H6发热量为3-18W的情况下,各芯片的热阻值,测试结果如图6所示。芯片H2-H6的热阻随发热量的增大而减小,这是因为热管正常工作并随热量增大其传热能力增强,所加的热量还没有达到热管最大能携带的热量。

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测试了在风量为76.5m3/h,Hl发热量为75-225W,H2,H3,H4发热量为20W,H5,H6发热量为16W的情况下,HI的热阻值,测试结果如图7所示。当发热量小于150W时,H1的热阻随发热量增大而减小;当发热量为150-225W时,热阻保持不变。这是因为:在H1发热量小于150W时,热管的传热能力随热量增加而增强,到了150W热能力达到最好。H1发热量为225W时,热管仍然能正常工作,没有失效。

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4 实验结果和数值计算结果对比分析

3为实验结果和数值计算结果对比总结。由表可知:设计的热管散热器较好地满足了使用要求,兼顾了6个芯片的不同散热要求。数值计算结果与实验结果接近,相对误差在可接受范围内。数值模拟方法在散热器设计中起着重要作用,可节省设计时间和设计成本,为其他的热管散热器设计提供借鉴意义。

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5 结论

这里对6个芯片散热合用的热管散热器进行了设计和优化分析,并进行了实验测试。数值模拟分析了不同翅片参数、热管数量和布局对散热的影响。实验测试了散热器在不同风量,不同芯片发热量下的散热器各芯片的热阻,以及散热器的压力损失。测试结果表明:散热器的压力损失随风量的增大而增加;热管在H1发热量为200W时仍能正常工作,使得散热器能满足更严苛的使用环境;在一定的发热量下,各芯片的热阻随风量的增大而减小,风量越大,强制对流换热越强;在一定的风量下,各芯片的热阻随发热量的增大而减小,热管的散热作用越明显。

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