基于ANSYS技术的CPU热管式散热器换热规律实验研究与数值模拟

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工加 3 2年 6业热第8 0第期卷0 9

基于 A YS技术的 C U热管式散热器换热规律 NS P实验研究与数值模拟胡永海，童正明，叶立(海理工大学上动力工程学院，上海 209 ) 0 0 3

摘要：C U的工作温度是判断 C U性能的一项重要参数，为克服解析计算求取 C U温度精确值的困难，利用 A YS有限元软件 P P P NS对热管式散热器与普通翅片散热器进行了热特性分析，模拟计算出稳态温度场分布，以及不同功率下 C U中心点的换热特性。研 P究结果表明，在稳定状态时，热管式散热器较普通翅片散热器具有极强的热传导性能； C U高功率工作时，在 P普通翅片散热器 C U P温度超过 8 5℃无法满足换热要求，而热管式散热器 C U温度低于 7 P 5℃,完全达到换热效果；模拟计算值与实验值最大相差 41 .℃,应用数值模拟的方法研究 C U热管式散热器换热特性是可行。 P 关键词：热管；C U;热分析；实验研究；A YS P NS中图分类号：T 3 91 P 0. 文献标志码：A文章编号： 10 -6 92 0 )60 3—3 0 2 13 (0 90—0 50

Expe i e rm ntand Num e ial u rc dy e tpi a a ori t St ofH a— peR di t n heCPU usng o N S S by i fA Y HU ng ha, TON G e g— i g, Y E Yo— i Zh n m n Li

( ol e f o r n ier g nv ri f hn h io cec dTc n lg,S ag a 2 0 9, hn ) C lg we gn ei,U iesyo a g a fr inea eh oo y hn h i 0 0 3 C ia e oP E n t S S n Ab t a t T etmp r t r f U n i o t n a a tr r h a a i t f U。 b t t a dt e c u a ev l eb sn n lt a sr c: h e e au e CP i a o s mp r t r mee ec p b l y o CP a p o f t i u 'h r g t c r t au yu i ga ay i l is o a c c l u ai n me h d h r l n lsso

e t i er d a o n ib d r d ao s e f r e sn a c lt t o .T e ma a y i f a. p a it ra d rb e a i t r o a h p wa ro m du ig AN S nt lme t O t r n e p YS f i ee n f i e S wa ea d t ht m p r t r srbuto sw e l st a a f ra h ifr ntp w e Th e ut nd c t h e— i er dit rha e trhe tta fr e e a u editi i n a l a hehe tr ns e t e d fe e o n t t er s lsi i aet a h a p p a a o sgr ae a rnse t t

c a a trsi t b esa e I i h p we, t et mp r t r f U y u i g r b d r d ao r a 5 C, wh l e tmp r t r h r ce it i asa l tt . n h g o r h cn e e au eo CP b s i e a it r s n b i mo et n 8 h o i t e h e e au ei sls ha 5℃ b i e tpier d ao . Thee pe m e asc l t lisw i evaueof e st n 7 y usng h a— p a i tr x r i ntb ial ale t t l y hh num e c lc lulto i r a ac a in.

Ke r s y wo d:h a— i e e t p;CP p U;t e ma n l ss x e i n;ANS h r l ay i;e p rme t a YS

当今电子产品的热设计中，由于热流量的不断提高，

翅片散热器几何模型，利用 A Y NS S有限元软件进行热特

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

性比较分析，模拟计算出稳态温度场分布，以及不同功率下 C U中心点的传热特性本文利用数值模拟的方法， P

处，故通过热管将热量由空间小处传递到一定距离外

分析了热管式散热器与普通翅片散热器在 C U工作状态 P下的温度场分布，以及 C U在不同功率下传热特性，并 P对其计算结果进行实验验证。

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。殷际英[对热管型 C U散 1] P

热器总传热性能的研究表明热管型散热系统可以远距离传递热量，适合与在有限空间内大功率 C U芯片的散热。 P 孑巧玲和贺建华l L 2]对热管在笔记本中的不同布置位置对散

1实验系统与实验方案如图 1所示，整个实验系统由风机、数据采集器、加热器以及热管散热器四部分组成。人口段较长，使气流

热性能的影响进行了研究，主要为三种方式：通过底板散热，通过键盘散热与通过显示器散热。李焱，张永恒[ 3 用数值模拟的方法研究了 C U散热器换热特性，其研究结 P

流经热管换热器后速度分布接近均匀，实验中，热管表面温度由布置在热管表面三个热电偶测定，其测点，

果为电子设备的设计提供和改进提供参考。除了对整个热管散热系统得研究外，对各个部件的研究也很多。 e— L o nrL V si￣对目前热管发展的情况进行了比较详细 a . aie 4 d lv J的介绍。

R和位置如图 2所示，对应于计算模型中的第 4 6 3 2 3 8,3和 25 1号结点。在其测点表面布置热电偶， 1 2 R的 R,和J 3

温度值全部由数据采集仪 ( 3 9 0 HP 4 7 A)记录，只要验证实验测量得到的温度特性参数与该处模拟计算结果相吻合，即可说明上述模拟方法与结果的可行性和可信度。加热方式采用电加热，由模拟加热块，通过无根电阻丝加

基于上述分析，本文分别建立热管式散热器与普通收稿日期：20—71;修回日期：2 0—82 090—0 090—4作者简介：胡永海 (9 5 ) 18,男，陕西西安人，在读硕士研究生，研究方向为化工过程机械.

热棒提供电加热热源，输入功率由变压器控制，有电流电压表显示。3 5

加热设备

工业加热第 3卷 20年第 6期 8 09C U的材料属于典型的复合材料，其力学参数和热 P学参数都比较难以确定。为了简化计算，本文把 C U看 P成均质各向同性材料，即用晶体管的性质作为整个 C U P

模型的热学参数，计算所需材料参数如表 1所示。表 1材料参数外接

图 1热管式 C U散热器实验装置图 P

模拟外接电源

对于二维模型，A Y NS S提供的网格单元有 4、8、5 节点四边形单元 Q A U D。为了便

于分析，本文只考虑x Y—平面的散热过程，采用四节点四边形等参单元 Q A 4生 U D

成网格，每个单元上有 4个节点，每个节点上具有一个自由度执

温度。由于本文假定热管和翅片材料模型为均

质各向同性，而且生成的实体为简单实体，而且不存在阶越点，因此，网格采用 A S S N Y提供的智能网格划分方法，所以采用该方法比较有效。

对本文建立的数学模型做如下基本假设： ()热管的材料性质不随时间的改变而改变。 1 () 2热管为一实心固体， 以此计算热管等效传热系数。 ()C U在连续工作一 3 P段时间后，达到热平衡状态，图 2实验测点位置

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