热管散热器散热性能的实验研究与数值模拟

摘要

随着集成电路技术的迅速发展和MEMS技术的进步，电子元器件的总功率密度大幅度增长而物理尺寸却越来越小，随之热流密度也极具增加，使得散热问题日益突出。其中尤以计算机服务器中的CPU散热突出。然而近年来，随着各国对超级计算机的加紧研制，CPU的结构体系已经由传统的单一芯片向多核芯片发展，使得散热问题更为严峻，已成为制约计算机产业发展的重要技术瓶颈之一。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。热管作为一种高效传热元件，具有极高的导热性、优良的等温性、高散热效率和良好的环境适应性等特点，非常适合于小温差高热流密度条件下的散热。将热管技术应用于CPU的冷却，已经成为当前CPU散热方式的发展趋势。 本论文以日本某公司最新冷却技术为依托，针对计算机芯片冷却问题展开了一系列的数值模拟与实验研究。首先对三种不同型式的热管散热器(对称U型热管散热器、非对称U型热管散热器、“工”型热管散热器)，利用专业散热模拟软件FLOTHERM对其散热特性进行了数值模拟分析，包括散热器的温度分布，热管的温度分布、风道内的温度分布、流场分布，压力场分布等，并对热扩散板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。通过分析发现，热管的排列方式可影响散热器的散热效果，并进行了数值模拟分析。在原有热管散热器的基础上，设计并模拟了一种新型热管散热器，通过与非对称U型热管散热器的数据比较，发现这种将散热器底板内热管延长并插入翅片中的散热器可有效提高散热性能。 在本课题组自行搭建的“高热流密度器件散热性能研究实验台”上，对三种热管散热器进行了不同热流密度和风速条件下的散热性能实验，获得了不同工况下各种散热器的性能参数。通过对数值模拟计算与实验结果的比照，验证了数值模拟的可靠性，并对三种热管散热器的散热冷却特性进行了比较分析。包括热扩散板中心温度、散热器底板上、下表面温度场分布、散热器扩散热阻、散热总热阻、当量对流换热系数、压降等。为了准确获得散热器上表面的温度分布，利用热像仪测取了散热器的红外图像。对比证实，计算结果与热电偶测试基本吻合，同时也佐证了数值模拟结果的可靠性。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章前沿

1.1研究背景及意义

1.2热管散热器的发展现状

1.3本课题的研究内容

第二章热管散热器的理论研究

2.1热管的工作原理和基本理论

2.1.1热管的工作原理

2.1.2热管的基本理论

2.1.3热管散热器的传热极限

2.2散热器的理论模型

2.2.1矩形肋片传热性能理论分析

2.2.2散热器扩散热阻模型

2.2.3散热器总热阻模型

2.2.4热管散热器风阻模型

2.3本章小结

第三章热管散热器的数值模拟

3.1数值模拟概述

3.2控制方程

3.2.1质量守恒方程

3.2.2动量守恒方程

3.2.3能量守恒方程

3.3 FLOTHERM软件介绍

3.4热管散热器的数值模拟

3.4.1物理模型的建立

3.4.2设置初始化条件及边界条件

3.4.3计算结果与分析

3.5热管不同排列方向对散热影响的模拟分析

3.6新型热管散热器的设计

3.6.1新型热管散热器的物理模型

3.6.2新型热管散热器的数值模拟结果

3.6.3新型热管散热器与非对称U型热管散热器数值模拟的比较

3.7本章小结

第四章热管散热器的实验研究

4.1实验装置

4.2三种散热器结构参数

4.3实验研究

4.3.1实验方法

4.3.2实验步骤

4.4实验结果及分析

4.4.1模拟CPU热源的性能分析

4.4.2散热器热阻分析

4.5数值模拟结果与实验结果的对照

4.5.1热扩散板中心温度的对照

4.5.2散热器底板温度的对照

4.5.3散热器压降的对照

4.6本章小结

第五章散热器的热像实验

5.1红外热像仪

5.2热像测量结果

5.3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