计算机CPU热管散热器换热性能研究

　　近年来,随着电子工业的迅猛发展,各种电子设备也越来越向高频、高集成化发展,从而导致其发热量逐年增加。同时,由于使用了以集成电路和大规模集成电路的小型化部件,趋向于高密度装配,因而单位容积的发热量逐年增大。一个最典型的例子就是电子计算机芯片近年来的发展。为了保证电脑CPU正常运行,需要使内装电子元件维持在一定温度范围内运转[1]。这是因为电子元件的性能对温度非常敏感,温度过高或过低,元件性能将显著下降,不能稳定工作,从而也将影响到整个系统的可靠运行。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

　　量由小空间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[2~5]。

　　基于上述分析,本文分别建立了热管式散热器与普通翅片散热器几何模型,利用ANSYS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,并对计算结果进行了实验验证。

　　1 数值模型

　　1.1 模型建立及网格划分

　　本文所研究的流体在管间及管束周围的流动与换热情况是一种典型的多尺度、大分离复杂流场计算。为获得较高精度,计算所需用网格数相当庞大,使得计算趋于困难。考虑到本文所提出的模型本质上为周期性结构,此处将其简化为单流道进行处理,其三维模型如图1所示。各几何结构参数为:热源CPU长20mm,宽20mm,高h=1175mm,CPU安装铜片厚度5mm,热管和翅片高度均为80mm,其间隔均为8mm,热管直径与铜管直径均为5mm。通过空气自然对流进行换热,周围空气处于室温20e,空气对流换热系数12W/m2e。

　　控制方程为二维不可压缩流雷诺时均N-S方程。雷诺应力采用k-E湍流模型进行估计。

　　计算采用基于有限体积法的Simple系列方法,其中能量方程、动量方程、湍动能、湍流耗散率均采用具有三阶精度的Quick格式离散。计算首先选用较小的欠松弛因子和一阶迎风格式得到初值,然后采用二阶迎风格式得到最终结果。

　　为了准确地模拟出管壁附近流动和换热以及管内的导热,同时又要控制网格的数目,划分网格时,采用非均匀网格,对压力、速度和温度梯度比较大的管壁及导流翼附近区域网格进行局部加密处理以提高这些区域内解的分辨率。管路区域网格采用六面体,其他区域采用四面体,整个计算域网格数量近80万,网格质量Skewness值小于018。

　　计算域左界面设定为入口速度边界条件,计算域右界面设定为压力出口边界条件, CPU设为发热源,发热量给定常数作为热边界条件,计算域下界面设为轴对称边界。各计算参数下降三个数量级并达稳定,进出口质量流量相差011%以下作为残差收敛标准。