熱管散熱模組瞬態(tài)性能熱分析

熱管散熱模組瞬態(tài)性能熱分析第一頁，共二十七頁，2022年，8月28日1引言如今，電子、微電子設(shè)備的小型化、集成化已經(jīng)成為技術(shù)發(fā)展的趨勢。隨著集成化程度的提高，有效的散熱面積越來越小，單位面積的散熱功率不斷增大，表面溫度也隨之上升，惡劣的熱環(huán)境將會嚴(yán)重影響電子元件的功能和使用壽命。如果不采取散熱措施，那么其本身溫度會迅速升至200℃以上。然而，即使是工業(yè)芯片，最高工作溫度也只有125℃。

對于計算機(jī)來說，溫度升高會使其運(yùn)行速度下降，降低使用壽命，而且有可能會使計算機(jī)存儲的數(shù)據(jù)資料的安全性受到影響，造成死機(jī)、甚至燒毀芯片。用Intel公司微處理器研究實(shí)驗(yàn)室負(fù)責(zé)人的話說，高頻處理器產(chǎn)生的熱量簡直就是阻礙它發(fā)展的一堵墻。第二頁，共二十七頁，2022年，8月28日引言55%溫度電子元件故障主要原因20%振動6%粉塵19%潮濕對于筆記本電腦，散熱問題一直是其發(fā)展的技術(shù)瓶頸之一。尤其是對于熱負(fù)荷敏感度較高的CPU而言，熱量在芯片處的累積將嚴(yán)重影響其穩(wěn)定性和使用壽命。電子芯片冷卻方法被動冷卻方法主動冷卻方法風(fēng)冷法水冷法半導(dǎo)體制冷熱管冷卻2第三頁，共二十七頁，2022年，8月28日熱管冷卻技術(shù)常規(guī)熱管微型熱管平板熱管環(huán)路熱管常規(guī)熱管冷卻技術(shù)微型熱管冷卻技術(shù)平板熱管冷卻技術(shù)環(huán)路熱管冷卻技術(shù)3引言第四頁，共二十七頁，2022年，8月28日如圖所示，管的一端為蒸發(fā)端（加熱段），另一端為冷凝端（冷卻段），根據(jù)應(yīng)用需要在兩端中間可布置絕熱段。當(dāng)熱管的一端受熱時毛細(xì)芯中的液體蒸發(fā)汽化，蒸汽在微小的壓差下流向另一端放出熱量凝結(jié)成液體，液體再沿吸液芯靠毛細(xì)力的作用流回蒸發(fā)端。如此循環(huán)，熱量由熱管的一端傳至另一端。熱管的工作原理引言4第五頁，共二十七頁，2022年，8月28日引言因此，必須對電子設(shè)備散熱結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計和性能分析。電子設(shè)備散熱結(jié)構(gòu)的穩(wěn)態(tài)性能，可以判斷熱源溫度是否滿足要求及冷卻結(jié)構(gòu)是否合理。然而對于一個散熱結(jié)構(gòu)，設(shè)計要求是不僅要知道電子設(shè)備是否足夠冷從而在正常狀態(tài)下持續(xù)運(yùn)行，還要知道它能否在瞬間狀態(tài)下正常運(yùn)行，如開關(guān)機(jī)、功率突然升高、環(huán)境溫度突變等。5第六頁，共二十七頁，2022年，8月28日熱力分塊模型6一塊材料在熱量傳遞時其內(nèi)部會存在一個溫度梯度，如果這個溫度梯度很顯著，則在材料內(nèi)部溫度梯度大的地方集總電容做出的溫度響應(yīng)就會有很大的誤差。在內(nèi)部有顯著溫度梯度的情況下，應(yīng)把物體劃分為幾個部分，每部分都有自己的熱容和與相鄰部分之間的熱阻，一個物體的動態(tài)響應(yīng)就分成了幾個部分各自的響應(yīng)，這樣的動態(tài)溫度響應(yīng)才能比較真實(shí)地反映出物體的溫度分布變化。第七頁，共二十七頁，2022年，8月28日7熱管散熱模組實(shí)物圖熱力分塊模型第八頁，共二十七頁，2022年，8月28日熱力分塊模型8兩熱源散熱模組物理模型熱管散熱模組實(shí)物圖物理模型中用的CPU、NB、Block均用長方體代替。芯片和熱管直接接觸時，難以固定，因此通常在芯片上表面與熱管蒸發(fā)段之間設(shè)置有Block這一輔助結(jié)構(gòu)，將熱管與芯片之間的熱流通道連接起來。本散熱模組采用肋片散熱器，采用兩根內(nèi)徑6mm的打扁銅水熱管并聯(lián)散熱。第九頁，共二十七頁，2022年，8月28日9熱力分塊模型

Block結(jié)構(gòu)示意圖肋片換熱器結(jié)構(gòu)示意圖散熱模組冷凝端肋片散熱器與熱管的連接方式有焊接和穿縫等不同的工藝，其中焊接工藝應(yīng)用較為廣泛。焊接工藝提高熱管與散熱肋片間的接觸效果，減少熱阻，并有效地發(fā)揮熱管的傳熱特性。本例采用第一種，既“Toothbrush”型肋片換熱器。Toothbrush型穿插型第十頁，共二十七頁，2022年，8月28日10熱力分塊模型翅片高度h翅片間距s翅片厚度δ翅片寬度w數(shù)值（mm）11.01.20.224.0散熱器最大尺寸60mm（長）×24.4mm（寬）×12mm（高），共N=50個單獨(dú)翅片Toothbrush換熱器結(jié)構(gòu)示意圖Toothbrush翅片的結(jié)構(gòu)參數(shù)第十一頁，共二十七頁，2022年，8月28日11熱力分塊模型散熱器的傳熱系數(shù)

應(yīng)用冷卻氣體橫向掠過翅片散熱器的

關(guān)聯(lián)式：

(1)

式(1)中：；；上式中，

為冷卻空氣掠過翅片時的最大速度，此熱管散熱模組取4.16m/s；、、、為冷卻空氣的動力粘度、密度、比容、導(dǎo)熱系數(shù)；

、

、

、

為翅片間距、長度、寬度、厚度。由式(1)得=35.5。肋片換熱器熱阻分析

第十二頁，共二十七頁，2022年，8月28日12熱力分塊模型肋效率

對流換熱熱阻其中

，

由式(2)得=1.107K/W肋片換熱器熱阻分析

第十三頁，共二十七頁，2022年，8月28日13熱力分塊模型熱管的結(jié)構(gòu)參數(shù)

單根熱管尺寸打扁后：250mm（長）×7.84mm（寬）×3mm（高）管壁厚度0.5mm；吸液芯厚度0.5mm，兩層57.73目的銅絲網(wǎng)，銅絲直徑0.125mm第十四頁，共二十七頁，2022年，8月28日熱管熱阻分析R1：熱管蒸發(fā)段管壁的徑向?qū)釤嶙瑁?R6：熱管冷凝段吸液芯的徑向熱阻；R2：熱管蒸發(fā)段吸液芯的徑向?qū)釤嶙?/p>

；R7：熱管冷凝段管壁的徑向?qū)釤嶙?/p>

R3：熱管蒸發(fā)段汽液交界面的熱阻；R8：熱管管壁的軸向?qū)釤嶙?；R4：蒸汽管內(nèi)軸向熱阻；R9：熱管吸液芯的軸向?qū)釤嶙?。R5：熱管冷凝段氣液交界面的相變熱阻；14熱力分塊模型第十五頁，共二十七頁，2022年，8月28日15熱力分塊模型對兩個熱源的熱管散熱模組進(jìn)行熱力系統(tǒng)分塊，其熱阻網(wǎng)絡(luò)圖如圖所示。兩熱源散熱模組物理模型兩熱源散熱模組熱阻網(wǎng)絡(luò)圖第十六頁，共二十七頁，2022年，8月28日16熱力分塊模型散熱模組各部件熱阻模組部件CPUNBBlock結(jié)構(gòu)單根熱管蒸發(fā)段單根熱管冷凝段散熱器CPU處NB處CPU處NB處熱容C(J/℃)0.270.452.683.341.411.394.233.580熱阻R(℃/W)0.210.310.430.420.811.110.461.14兩熱源散熱模組熱阻網(wǎng)絡(luò)圖芯片標(biāo)準(zhǔn)散熱量PCPU=30W、PNB=10W。取入口空氣為25℃，按照Intel的方法筆記本電腦工作時主板其他元件有對環(huán)境15℃的溫升，故

=40℃。第十七頁，共二十七頁，2022年，8月28日瞬態(tài)性能分析17兩熱源散熱模組熱阻網(wǎng)絡(luò)圖應(yīng)用熱力學(xué)第一定律，建立雙熱源散熱模組的控制方程：熱阻

為第i點(diǎn)與第j點(diǎn)間的熱阻

對含源節(jié)點(diǎn)，如CPU：對第i個不含熱源節(jié)點(diǎn)：在MATLAB中應(yīng)用龍格-庫塔(R-K)法解上述節(jié)點(diǎn)組成的方程組，就可得出熱管散熱模組的瞬態(tài)響應(yīng)溫度值。第十八頁，共二十七頁，2022年，8月28日瞬態(tài)性能分析18120s內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)散熱量時的溫度響應(yīng)圖從圖中可以看出由于CPU的發(fā)熱量比NB的發(fā)熱量高20W，CPU的終溫比NB高大約20℃，CPU處的溫差也比NB處大。熱管散熱模組在較短時間（60s）內(nèi)即基本達(dá)到熱平衡，這符合熱管的“超導(dǎo)熱性”，熱管可有效傳導(dǎo)熱源的熱量。肋基與環(huán)境間的溫差最大，這與肋片散熱器的熱阻最大一致。說明這種分塊模型能夠真實(shí)、準(zhǔn)確地反映系統(tǒng)各部分的瞬態(tài)響應(yīng)。第十九頁，共二十七頁，2022年，8月28日瞬態(tài)性能分析19從中可以看出比較靠近熱源（CPU、NB）的部分溫度響應(yīng)比較快，而越遠(yuǎn)離熱源的部分響應(yīng)越慢。遠(yuǎn)離熱源的部分要等待它前面的部分做出響應(yīng)后才能開始自己的響應(yīng)，然后跟隨前面的部分逐步達(dá)到穩(wěn)態(tài)。這種特征使得整個系統(tǒng)在短時間內(nèi)可以做出快速的部分響應(yīng)，在較長時間內(nèi)做出緩慢但完整的響應(yīng)。這種響應(yīng)特征就意味著對距離熱源較遠(yuǎn)的點(diǎn)需要建立更精確的數(shù)學(xué)模型來反映它們的瞬態(tài)響應(yīng)狀況。30s內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)散熱量時的溫度響應(yīng)圖在較短時間（0-5s）內(nèi)，分塊模型中只有靠近熱源的部分才會來得及做出明顯的響應(yīng)。由此可知在短時間內(nèi)熱源散熱量的變化只會對附近的部分造成影響，而較遠(yuǎn)的部分則變化較小。第二十頁，共二十七頁，2022年，8月28日瞬態(tài)性能分析20設(shè)計散熱量時的差響應(yīng)圖該圖反映了達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)的速率，從圖中看出靠近熱源的部分達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)的速率相比遠(yuǎn)離熱源的部分需要的時間短。然而由于受到遠(yuǎn)離熱源部分的滯后影響，即使靠近熱源的部分也需要較長的時間才能最終達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。第二十一頁，共二十七頁，2022年，8月28日瞬態(tài)性能分析21設(shè)計散熱量時的差響應(yīng)圖在50%的溫差內(nèi)，CPU與NB上方的Block結(jié)構(gòu)達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)的速率大致相同。超過50%之后，NB上方的Block結(jié)構(gòu)達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)的速率明顯變慢。這可能是因?yàn)殚_始時CPU與NB的溫度差別不大，CPU處對NB處的影響不大。由于CPU的散熱量遠(yuǎn)比NB大，隨著時間的增加CPU處比NB處的溫度明顯升高，致使NB處的散熱速率受到抑制。第二十二頁，共二十七頁，2022年，8月28日瞬態(tài)性能分析22圖(a)、(b)分別模擬CPU和NB發(fā)生故障的情況。(a)、(b)對比可以看出CPU的功率變化對NB的溫度影響較大。NB的溫度變化幾乎不影響CPU的正常溫度響應(yīng)。(b)

前10sPCPU=30W、PNB=10W后30s只關(guān)NB(a)前10sPCPU=30W、PNB=10W后30s只關(guān)CPU第二十三頁，共二十七頁，2022年，8月28日瞬態(tài)性能分析23圖(c)模擬開關(guān)機(jī)的情況。在較短時間內(nèi)遠(yuǎn)離熱源點(diǎn)的溫度也能發(fā)生明顯變化，說明該熱管散模組系統(tǒng)的瞬態(tài)響應(yīng)較快。圖(d)模擬電壓不穩(wěn)導(dǎo)致CPU和NB的功率波動的情況。熱源散熱量在較短時間內(nèi)突然增大時這種散熱結(jié)構(gòu)基本上能滿足散熱要求。(c)前10sPCPU=30W、PNB=10W(d)

前10sPCPU=45W、PNB=20W

后30s關(guān)CPU和NB后30sPCPU=15W、PNB=5W第二十四頁，共二十七頁，2022年，8月28日瞬態(tài)性能分析24從圖（a）（b）（c）（d）可以看出：隨熱源溫度的波動，越靠近熱源的點(diǎn)的溫度波動越大而且很快，而越遠(yuǎn)離熱源的點(diǎn)波動越小而且相對較慢。但總體上該散熱模組的瞬態(tài)響應(yīng)速度較快。還可以看出由近及遠(yuǎn)各點(diǎn)的溫度峰值在向右偏移，反映出在這種工況下系統(tǒng)靠后溫度點(diǎn)的瞬態(tài)響應(yīng)的滯后性。第二十五頁，共二十七頁，2022年，8月28日瞬態(tài)性能分析25筆記本電腦內(nèi)環(huán)境溫度周期性變化的瞬態(tài)溫度響應(yīng)圖圖該圖是筆記本內(nèi)電腦內(nèi)環(huán)境溫度在40℃和50℃之間階越變化，PCPU=30W、PNB=10W時系統(tǒng)的瞬態(tài)響應(yīng)，各點(diǎn)溫度都呈逐步上升趨勢。此圖模擬冷卻系統(tǒng)故障致使環(huán)境溫度突變的情