CPU热管散热器的实验研究与数值模拟

论文摘要

随着电子技术的迅猛发展,芯片的集成度、封装密度以及其工作时钟频率的不断提高,单个芯片的所需功率加大。而设备紧凑化结构的设计要求又使得散热更加困难,因而迫切需要采用高效散热技术来解决此问题,这也是国内外该领域众所关心的一个重要课题之一。本论文以日本某公司最新冷却技术为依托,针对计算机芯片的冷却散热展开了一系列的实验研究。对三种不同形式的散热器(铝质散热器、热管散热器、平板热管散热器)进行了实验研究和数值模拟,并对散热器底面进行了传热效果优化分析,通过提高散热器底面的热扩散能力改善散热效率,提高冷却能力。本文根据芯片散热的实际应用背景,确定了CPU冷却方案,建立了计算机CPU模拟热源的物理模型。并根据设计方案搭建了“高热流密度器件散热性能研究实验台”,对几种类型的电子器件散热器进行了不同加热功率和风速条件下的散热性能测试,获得了不同工况下电子器件散热器的性能参数。根据实验数据,对其中三种散热器的散热冷却特性进行了比较分析。包括CPU模拟热源变化、散热器扩散热阻、散热热阻、当量导热系数以及风压受风量条件变化的影响。同时根据实验结果拟合出U型热管散热器和平板型热管散热器的当量导热系数及风压的求解解析式。在实验研究的基础上,通过应用FLUNENT、ICEPAK等计算软件依据实际散热器为物理模型,进行数学建模,确定边界条件对不同风道流通状况和传热性能进行数值模拟计算分析,由此对散热器的散热特性进行定量化研究。为高热流密度电子器件在不同发热功率、不同换热环境等条件下,热管散热器的选择或冷却方案提供理论基础和数据依据。为了对数值模拟的结果进行实验验证,用热像仪获取散热器温度分布的红外图像进行了对比,证实计算结果与实验测试基本吻合,验证了数值模拟方法的可靠性。本文最后对热管散热器底面导热情况进行了优化分析。通过改变导热系数以及扩大模拟芯片尺寸等来进一步改善CPU冷却散热器的散热效果,得到了一些有价值的结论,这对高热流密度电子器件强化换热技术有一定的指导意义。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 研究背景及意义
• 1.2 热管散热器的发展现状及主要类型
• 1.2.1 热管散热器的研究发展现状
• 1.2.2 热管散热器的主要类型
• 1.3 平板热管散热器的特点及研究现状
• 1.3.1 平板热管的特点
• 1.3.2 平板热管散热器的研究现状
• 1.4 本课题的研究内容
• 第二章 热管型电子器件散热器理论分析
• 2.1 概述
• 2.2 热管的基本理论和工作原理
• 2.2.1 热管理论
• 2.2.2 热管工作原理
• 2.3 热管电子冷却散热器的理论分析
• 2.3.1 热管传热过程理论模型
• 2.3.2 矩形肋片传热性能理论分析
• 2.3.3 散热器扩散热阻模型
• 2.3.4 热管散热器热阻模型
• 2.3.5 热管散热器风阻模型
• 2.4 本章小结
• 第三章 电子器件散热器实验台设计
• 3.1 电子散热器性能测试系统设计
• 3.1.1 实验装置
• 3.1.2 测试样品
• 3.2 散热器实验装置的设计
• 3.2.1 加热系统
• 3.2.2 冷却系统
• 3.2.3 测量系统
• 3.3 本章小结
• 第四章 实验过程、结果及分析
• 4.1 散热器性能实验方法及实验步骤
• 4.1.1 实验方法
• 4.1.2 实验步骤
• 4.2 实验结果及分析
• 4.2.1 模拟CPU发热源的性能分析
• 4.2.2 散热器性能测试分析
• 4.2.2.1 散热器扩散热阻
• 4.2.2.2 散热器散热热阻
• 4.2.2.3 散热器的当量导热系数
• 4.2.2.4 散热器的风压
• 4.3 本章小结
• 第五章 冷却CPU散热器的数值模拟
• 5.1 概述
• 5.2 FLUENT软件简介
• 5.3 风道的数值模拟
• 5.3.1 风道计算模型的建立
• 5.3.2 设置初始化条件及边界条件
• 5.3.3 风道模型求解和后处理
• 5.4 ICEPAK软件简介
• 5.4.1 ICEPAK软件技术特征
• 5.4.2 ICEPAK基本分析过程
• 5.5 散热器的数值模拟
• 5.5.1 模型的建立
• 5.5.2 设置初始化条件及边界条件
• 5.5.3 计算结果与分析
• 5.5.4 散热器底面导热优化分析
• 5.6 本章小结
• 第六章 总结与展望
• 6.1 总结
• 6.2 今后工作展望
• 参考文献
• 硕士期间发表论文情况
• 致谢