用于高热流密度器件冷却的热管散热器实验研究

低温与超导第39卷 第1期

制冷技术R efrigeration Cryo .&Supercond .V o.l 39 N o .1

收稿日期:2010-08-31

作者简介:诸凯(1954-),男,博士,教授,主要从事传热传质研究。

用于高热流密度器件冷却的热管散热器实验研究

诸凯,李媛媛,陆佩强

(天津商业大学天津市制冷技术重点实验室,天津300134)

摘要:针对大型计算机服务器CPU 的耗能量,探讨了一种新的热管排布方式的散热器,并对其散热性能进行了实验研究。研究结果表明,采用此种热管散热器,最高热流密度为74.3W /cm 2,其冷却风速控制在4m /s 即可满足芯片冷却要求。同时根据模拟计算得到的散热器底板温度分布,可有助于对热管排布方式的优化设计。

关键词:热控制;热管;散热器;CPU

Experi m ent al i n vestigation on heat transfer charac t eristics of a novel heat pi p e radiat or

used to coo l high heat flux device

Zhu K a,i L i Yuanyuan ,Lu P e i qiang

(T i anji n K ey L aboratory of R e frigerati on T echno l ogy ,T ian ji n U n i versity o f Co mm erce ,T i anji n 300134,Ch i na)Abstrac t :A nove l heat p i pe radiator w it h the different arrang e m ent o f heat p i pe w as used to i nvesti ga te t he heat transfer characteristi cs a i m ed to the prac tica l heat flux of CPU i n large-scale computer .The research resu lts i nd ica ted that the a ir veloc i ty w ith i n 4m /s cou l d satisfy the practi ca l dem and under the condition of the max i m u m heat fl ux density 74.3W /c m 2.In addition ,accordi ng t o the te m pera t ure distributi on of base plate ,opti m ization desi gn of t he arrange m ent of heat p i pe cou l d be proposed .

K eyword s :T he r m al con tro ,l H eat pipe ,R ad i a t o r ,CPU

1 引言

CPU 芯片由于其集成度、封装密度以及工作

时钟频率的不断提高,其单位面积的发热量迅速增加,工作温度也不断升高。研究文献表明,单个半导体元件的温度每升高10 ,系统可靠性降低

50%[1]

。针对大型计算机服务器CP U 散热的特点,优化散热器底面传热结构和提高散热片表面传热系数可有效提高其散热效果,如将热管镶嵌于散热器底面通过相变进行强化换热,可在原散

热面积基础上提高效率35~40%[2]

。其原理是高热流密度器件产生的热量传导至热管,使热管内工质发生相变将热量传递给底板,然后再通过翅片与空气的强迫对流将热量散掉。热管镶嵌于散热器底面可以有多种排布方式,其目的就是尽量使高热流密度器与热管的蒸发段大面积接触。此前本课题组曾对热管U 形排布和平面形热管

散热器进行了实验研究[3]

,本文将对一种热管呈 工!字形排布镶嵌于底板的翅片散热器冷却性能进行实验研究。分析其导热效率以及CP U 热

流密度变化与热管散热器的性能特性等,以期为高效散热器的实际应用提供数据基础。

2 实验研究

2.1 工!形热管散热器结构形式及特点

图1 工!型热管散热器F ig .1 H eat p i pe rad i a t o r o f t ype 工!

三根直径为6mm 的热管呈 工!字形镶嵌到铜质底板的散热器中,热管的中间段与CPU 芯片接触,翅片散热器顶部用与散热翅片同厚度的铝片封装,其目的是除可以增加散热器强度外,有利

于增加翅片段部的传热。 工!字形热管散热器的外观如图1所示。散热器参数如表1所示。

表1 实验用散热器参数

T ab .1 Pa ra m e ters f o r heat pipe radiato r i n expe ri m en t

L ?W ?H /mm 3肋高/mm 肋厚/mm

肋片数/mm

肋间距/mm

热管纵向高度/mm

热管横向宽度/mm

130?100?44

35

0.5

41

1.98

5

7

2.2 实验方法及过程

本研究在自行搭建的实验台上对该热管散热

器的散热性能进行实验研究,实验装置可参见参考文献[4]。改变直流硅热源的功率,可以提供给用来模拟芯片的铜柱不同的加热量。在铜柱内间隔埋入两对热电偶(T 2、T 3),用以测量输送给散热器的实际热流密度;另一热电偶(T 1)埋入与铜柱顶部加工为一体(作为CPU 的热扩散板)的铜板中心,以测量其热扩散板的温度。热管散热器底板的上下表面共布置有42对T 型热电偶,用

来测量底板上下表面温度,如图2所示。在实验风道的风速平稳段用热线风速仪测量风速。用微压计测量散热器在风道前后的压差。为减小散热器底板与热扩散板接触热阻,在两者之间添加一种高导热材料T I M 。调节风机提供不同流速的气流对散热器进行冷却。

测量的主要参数有:热流通量;热扩散板中心温度;热管散热器底板上、下表面温度;风速;实验段前后压差;

实验段前后风温。

图2 散热器底板上下表面热电偶布置示意图

F i g .2 T her mo coup l e arrangem ents on each si de of t he hea t pi pe radiator base p late

3 实验结果及分析

在风速、加热功率等参数发生改变的条件下,

检测分析散热器的温度分布、热阻、压差,以及散热冷却能力。

3.1 散热器的温度分布情况

(1)热扩散板中心温度

由于芯片与散热器底板的面积相差较大,为使芯片的热量尽快传给散热器底板,在芯片与散热器底板之间增加一块金属导热板,称为热扩散板。实验采用的热扩散板位于散热器底板中央,尺寸为43?43?3mm 的铜板。图3是在不同工况下,热扩散板中心温度图随热流密度的变化。

从图3的一组曲线可知,在同一风速下,热扩散板

中心温度随着热流密度的增加而呈线性增加;在

图3 热扩散板中心温度随热流量的变化F ig .3

Core temperature o f heat d iffuser plate at d ifferent heat flux

相同热流密度条件下,虽然随着风速的提高,板中心温度随之降低,但降温的幅度逐渐减小,说明通过单纯提高风速来降低芯片温度,效果并不理想。

例如,最高热流密度为74.3W/c m2、风速为2m/s时,热扩散板中心温度为64.8 ,风速增大到4m/s时,板中心温度为54.2 ,温差为10.

6 ,即风速提高一倍,温度降低了16%。风速增大到6m/s时,板中心温度为49.9 ,温差为14.

9 ,即风速提高两倍,温度降低了23%。为保证芯片正常工作温度,热扩散板中心温度应控制在55 以内,据此,最大风速控制在4m/s时即可满足冷却要求。

(2)散热器底板温度分布

由散热器底板布置的热电偶获得底板上下表面温度分布。由于热管排布方式以及底板受热条件对称,因此热电偶只布置在底板1/2侧即可,如图2所示。图4(a)~4(d)是用模拟计算方法得出的热流密度为74.3W/c m2、风速分别为5m/s 和6m/s时,散热器底板上下表面温度分布图。送风方向沿X 轴正向。

图4(a) 热流密度74.3W/c m2、5m/s,底板下表面温度分布图

F i g.4(a) T emperature d i str i bution on the botto m surface of the base plate a t different hea t fl ux74.3W/cm2、5m /s

图4(b) 热流密度74.3W/c m2、5m/s,底板上表面温度分布图

F i g.4(b) T emperature distr i bution on the upper surface o f t he base p late at d ifferent heat fl ux74.3W/c m2、5m/s

图4(c) 热流密度74.3W/c m2、6m/s,底板下表面温度分布图

F i g.4(c) T emperature d i str i bution on the botto m surface of the base plate a t different hea t fl ux74.3W/cm2、6m/s

图4(d) 热流密度74.3W /c m 2、6m /s ,底板上表面温度分布图

F i g .4(d) T emperature distr i bution on the upper surface o f t he base p late at d ifferent heat fl ux 74.3W /c m 2、6m /s

图4(a)~4(d)显示出的高温区是散热器底板与热扩散板相接触的位置。对于散热器底板上

表面(如图4(b)、4(d)),由于强制对流空气的冷却作用,温度沿X 轴正向逐渐降低,左上部温度明显较低。温度沿Y 轴正向逐渐降低;在右下区域,由于空气温度升高,导致后半部分温度梯度减小。从图中发现,低温区将近占据上表面积的一半,由于中心处热管的存在使得中线处的等温线基本呈对称分布,温度梯度较均匀,说明热管有较强的导热性能。但是在迎风侧的前段,等温线变得较为密集,温度梯度较大,是由于强制对流的作用,密集的等温线被限制在上表面中部一狭长地带,沿流线方向分布,温度梯度基本沿Y 轴正向延伸。说明此处的换热效果不太理想。对于散热器底板下表面来说,由于镶有热管且未直接受到空气接触,因此下表面的均温效果明显好于上表面,等温线分布较为均匀,高温区与上表面相比基本呈左右对称分布(如图4(a)、4(c)所示)。热管可将热量较均匀的向Y 方向扩散,对于中上部,由于没有热管,因而形成了低温区,但低温区仅占总面积的1/5左右。在迎风侧由于热管作用和上表面的对流换热双重作用,使得上风侧的温度梯度变化要比下风侧大,但不均匀。通过比较可知,增大风速虽可以降低表面温度,但对温度分布的影响较小。由此提示,

如果将底板两侧热管

图5 改进的热管布置方

F i g .5

I mproved arrange m ents o f heat p i pe

向低温区延伸,如图5所示,则可进一步扩大底板有效散热面积,使得下表面温度分布更均匀,减小温度梯度,提高换热效率。3.2 散热器热阻分析

(1)散热器扩散热阻

对于实际应用的计算机芯片,其内部结构导致了芯片表面的温度分布很不均匀,致使芯片表面形成许多热点(hot spot)。在散热器底面与芯片之间设置热扩散板的目的,是将芯片上的高密集度热量尽快地扩散到整个散热器底板,热扩散板与散热器底面通过热结合层相接进行散热,所以热扩散板本身形成的扩散热阻将对芯片冷却产生影响。扩散热阻R s 的表达式

[5]

,可由以下方程

式表示:R s =

T s -T d own

Q Q =k s A s

T

L

其中:T s 为热扩散板上表面平均温度,T dow n 为

散热器下表面平均温度,Q 为热流通量,k s 是铜的导热系数,A s 为铜柱的横截面积, T 是铜柱内不同位置(T 2/T 3)间隔的温差, L 是T 2与T 3间的距离。

图6给出了散热器在不同风速下扩散热阻随热功率的变化情况。从图中可以看到,随着风速的增大,扩散热阻总体呈现减小。风速由2m /s 提高至3m /s 时扩散热阻下降的幅度明显,为0.07 /W 。但当风速由3m /s 增大至6m /s 时,扩散热阻的下降幅度较小。尤其是风速在5m /s 与6m /s 时的扩散热阻已近乎相同,说明在相同的热

流密度下或者热流密度增加到一定值后,风速超过3m /s 后对扩散热阻的影响较小。

图6 不同风速下扩散热阻随热流的变化

F ig.6 D iffuse heat res i stance at d iffe rent heat fl ux and ve

l oc ity

(2)散热器总热阻

散热器总热阻是翅片热阻与散热器底板热阻之和,可客观地表现散热器性能强弱,也是散热器冷却CPU的一个重要特性参数。与通常定义散热器的总热阻[6]不同,本研究中定义散热器总热阻采用热扩散板上表面最高温度,而非平均温度。在实际应用中,为避免出现过热的温度点,要关注CPU的最高温度区。

R tota l=T ma x-T a mb

Q

其中:R tota l为散热器总热阻,T max为热扩散板上表面最高温度,T a m b为环境温度,Q为热流通量。

图7 不同工况下的总热阻比较

F ig.7 Co m parison of entire the r ma l resistance at d ifferent

w orki ng cond i tions

图7是不同风速、不同热流密度下散热器的总热阻比较。图6与图5比较具有相同的趋势,但风速对散热器总热阻的影响要比扩散热阻明显。增大风速可使散热器总热阻减小,如风速由2m/s提高到5m/s,总热阻降幅为0.072 /W。但风速由5m/s提高到6m/s时,降幅仅为0. 007 /W,说明风速增大至5m/s以后对总热阻减小将不再显著。

4 结论

本文以解决高热流密度器件强化散热问题为研究背景,探讨了一种新的热管排布方式的散热器,并对其散热性能进行了实验研究。

(1)通过实验可知,采用此种热管散热器,最高热流密度为74.3W/c m2,其风速控制在4m/s 时,即可满足芯片冷却的需要。

(2)根据测得的底板表面温度可知,下表面中部向左右两侧方向温度分布不均匀,温度梯度较大,不利于散热,由此提示热管排布方式的设计改善。

(3)在其扩散热阻或散热器总热阻的计算中,热扩散板和散热器基板上下表面温度的准确测量至关重要,其中含有热管排布的散热器底板具体位置的选定也是引起测量误差的主要因素。

参考文献

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1709.

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