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时间:2017-11-16
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1、热管散热模组瞬态性能热分析引言热管散热模组的热力分块模型瞬态性能分析1引言如今,电子、微电子设备的小型化、集成化已经成为技术发展的趋势。随着集成化程度的提高,有效的散热面积越来越小,单位面积的散热功率不断增大,表面温度也随之上升,恶劣的热环境将会严重影响电子元件的功能和使用寿命。如果不采取散热措施,那么其本身温度会迅速升至200℃以上。然而,即使是工业芯片,最高工作温度也只有125℃。对于计算机来说,温度升高会使其运行速度下降,降低使用寿命,而且有可能会使计算机存储的数据资料的安全性受到影响,造
2、成死机、甚至烧毁芯片。用Intel公司微处理器研究实验室负责人的话说,高频处理器产生的热量简直就是阻碍它发展的一堵墙。引言55%温度电子元件故障主要原因20%振动6%粉尘19%潮湿对于笔记本电脑,散热问题一直是其发展的技术瓶颈之一。尤其是对于热负荷敏感度较高的CPU而言,热量在芯片处的累积将严重影响其稳定性和使用寿命。电子芯片冷却方法被动冷却方法主动冷却方法风冷法水冷法半导体制冷热管冷却2热管冷却技术常规热管微型热管平板热管环路热管常规热管冷却技术微型热管冷却技术平板热管冷却技术环路热管冷却技术
3、3引言如图所示,管的一端为蒸发端(加热段),另一端为冷凝端(冷却段),根据应用需要在两端中间可布置绝热段。当热管的一端受热时毛细芯中的液体蒸发汽化,蒸汽在微小的压差下流向另一端放出热量凝结成液体,液体再沿吸液芯靠毛细力的作用流回蒸发端。如此循环,热量由热管的一端传至另一端。热管的工作原理引言4引言因此,必须对电子设备散热结构进行设计和性能分析。电子设备散热结构的稳态性能,可以判断热源温度是否满足要求及冷却结构是否合理。然而对于一个散热结构,设计要求是不仅要知道电子设备是否足够冷从而在正常状态下持
4、续运行,还要知道它能否在瞬间状态下正常运行,如开关机、功率突然升高、环境温度突变等。5热力分块模型6一块材料在热量传递时其内部会存在一个温度梯度,如果这个温度梯度很显著,则在材料内部温度梯度大的地方集总电容做出的温度响应就会有很大的误差。在内部有显著温度梯度的情况下,应把物体划分为几个部分,每部分都有自己的热容和与相邻部分之间的热阻,一个物体的动态响应就分成了几个部分各自的响应,这样的动态温度响应才能比较真实地反映出物体的温度分布变化。7热管散热模组实物图热力分块模型热力分块模型8两热源散热模组
5、物理模型热管散热模组实物图物理模型中用的CPU、NB、Block均用长方体代替。芯片和热管直接接触时,难以固定,因此通常在芯片上表面与热管蒸发段之间设置有Block这一辅助结构,将热管与芯片之间的热流通道连接起来。本散热模组采用肋片散热器,采用两根内径6mm的打扁铜水热管并联散热。9热力分块模型Block结构示意图肋片换热器结构示意图散热模组冷凝端肋片散热器与热管的连接方式有焊接和穿缝等不同的工艺,其中焊接工艺应用较为广泛。焊接工艺提高热管与散热肋片间的接触效果,减少热阻,并有效地发挥热管的传热
6、特性。本例采用第一种,既“Toothbrush”型肋片换热器。Toothbrush型穿插型10热力分块模型翅片高度h翅片间距s翅片厚度δ翅片宽度w数值(mm)11.01.20.224.0散热器最大尺寸60mm(长)×24.4mm(宽)×12mm(高),共N=50个单独翅片Toothbrush换热器结构示意图Toothbrush翅片的结构参数11热力分块模型散热器的传热系数应用冷却气体横向掠过翅片散热器的关联式:(1)式(1)中:;;上式中,为冷却空气掠过翅片时的最大速度,此热管散热模组取4.16
7、m/s;、、、为冷却空气的动力粘度、密度、比容、导热系数;、、、为翅片间距、长度、宽度、厚度。由式(1)得=35.5。肋片换热器热阻分析12热力分块模型肋效率对流换热热阻其中,由式(2)得=1.107K/W肋片换热器热阻分析13热力分块模型热管的结构参数单根热管尺寸打扁后:250mm(长)×7.84mm(宽)×3mm(高)管壁厚度0.5mm;吸液芯厚度0.5mm,两层57.73目的铜丝网,铜丝直径0.125mm热管热阻分析R1:热管蒸发段管壁的径向导热热阻<;R6:热管冷凝段吸液芯的径向热阻;R
8、2:热管蒸发段吸液芯的径向导热热阻;R7:热管冷凝段管壁的径向导热热阻R3:热管蒸发段汽液交界面的热阻;R8:热管管壁的轴向导热热阻;R4:蒸汽管内轴向热阻;R9:热管吸液芯的轴向导热热阻。R5:热管冷凝段气液交界面的相变热阻;14热力分块模型15热力分块模型对两个热源的热管散热模组进行热力系统分块,其热阻网络图如图所示。两热源散热模组物理模型两热源散热模组热阻网络图16热力分块模型散热模组各部件热阻模组部件CPUNBBlock结构单根热管蒸发段单根热管冷凝段散热器CPU处NB处CPU处NB处热
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