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1頁，共27頁，2023年，2月20日，星期六1引言如今，電子、微電子設備的小型化、集成化已經(jīng)成為技術發(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℃。

對于計算機來說，溫度升高會使其運行速度下降，降低使用壽命，而且有可能會使計算機存儲的數(shù)據(jù)資料的安全性受到影響，造成死機、甚至燒毀芯片。用Intel公司微處理器研究實驗室負責人的話說，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2頁，共27頁，2023年，2月20日，星期六引言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)展的技術瓶頸之一。尤其是對于熱負荷敏感度較高的CPU而言，熱量在芯片處的累積將嚴重影響其穩(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冷法水冷法半導體制冷熱管冷卻2第3頁，共27頁，2023年，2月20日，星期六熱管冷卻技術常規(guī)熱管微型熱管平板熱管環(huán)路熱管常規(guī)熱管冷卻技術微型熱管冷卻技術平板熱管冷卻技術環(huán)路熱管冷卻技術3引言第4頁，共27頁，2023年，2月20日，星期六如圖所示，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)應用需要在兩端中間可布置絕熱段。當熱管的一端受熱時毛細芯中的液體蒸發(fā)汽化，蒸汽在微小的壓差下流向另一端放出熱量凝結成液體，液體再沿吸液芯靠毛細力的作用流回蒸發(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5頁，共27頁，2023年，2月20日，星期六引言因此，必須對電子設備散熱結構進行設計和性能分析。電子設備散熱結構的穩(wěn)態(tài)性能，可以判斷熱源溫度是否滿足要求及冷卻結構是否合理。然而對于一個散熱結構，設計要求是不僅要知道電子設備是否足夠冷從而在正常狀態(tài)下持續(xù)運行，還要知道它能否在瞬間狀態(tài)下正常運行，如開關機、功率突然升高、環(huán)境溫度突變等。5第6頁，共27頁，2023年，2月20日，星期六熱力分塊模型6一塊材料在熱量傳遞時其內部會存在一個溫度梯度，如果這個溫度梯度很顯著，則在材料內部溫度梯度大的地方集總電容做出的溫度響應就會有很大的誤差。在內部有顯著溫度梯度的情況下，應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)響應就分成了幾個部分各自的響應，這樣的動態(tài)溫度響應才能比較真實地反映出物體的溫度分布變化。第7頁，共27頁，2023年，2月20日，星期六7熱管散熱模組實物圖熱力分塊模型第8頁，共27頁，2023年，2月20日，星期六熱力分塊模型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)段之間設置有Block這一輔助結構，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，采用兩根內徑6mm的打扁銅水熱管并聯(lián)散熱。第9頁，共27頁，2023年，2月20日，星期六9熱力分塊模型

Block結構示意圖肋片換熱器結構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10頁，共27頁，2023年，2月20日，星期六10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個單獨翅片Toothbrush換熱器結構示意圖Toothbrush翅片的結構參數(shù)第11頁，共27頁，2023年，2月20日，星期六11熱力分塊模型散熱器的傳熱系數(shù)

應用冷卻氣體橫向掠過翅片散熱器的

關聯(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12頁，共27頁，2023年，2月20日，星期六12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13頁，共27頁，2023年，2月20日，星期六13熱力分塊模型熱管的結構參數(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14頁，共27頁，2023年，2月20日，星期六熱管熱阻分析R1：熱管蒸發(fā)段管壁的徑向導熱熱阻＜;R6：熱管冷凝段吸液芯的徑向熱阻；R2：熱管蒸發(fā)段吸液芯的徑向導熱熱阻

；R7：熱管冷凝段管壁的徑向導熱熱阻

R3：熱管蒸發(fā)段汽液交界面的熱阻；R8：熱管管壁的軸向導熱熱阻；R4：蒸汽管內軸向熱阻；R9：熱管吸液芯的軸向導熱熱阻。R5：熱管冷凝段氣液交界面的相變熱阻；14熱力分塊模型第15頁，共27頁，2023年，2月20日，星期六15熱力分塊模型對兩個熱源的熱管散熱模組進行熱力系統(tǒng)分塊，其熱阻網(wǎng)絡圖如圖所示。兩熱源散熱模組物理模型兩熱源散熱模組熱阻網(wǎng)絡圖第16頁，共27頁，2023年，2月20日，星期六16熱力分塊模型散熱模組各部件熱阻模組部件CPUNBBlock結構單根熱管蒸發(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)絡圖芯片標準散熱量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17頁，共27頁，2023年，2月20日，星期六瞬態(tài)性能分析17兩熱源散熱模組熱阻網(wǎng)絡圖應用熱力學第一定律，建立雙熱源散熱模組的控制方程：熱阻

為第i點與第j點間的熱阻

對含源節(jié)點，如CPU：對第i個不含熱源節(jié)點：在MATLAB中應用龍格-庫塔(R-K)法解上述節(jié)點組成的方程組，就可得出熱管散熱模組的瞬態(tài)響應溫度值。第18頁，共27頁，2023年，2月20日，星期六瞬態(tài)性能分析18120s內標準散熱量時的溫度響應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）內即基本達到熱平衡，這符合熱管的“超導熱性”，熱管可有效傳導熱源的熱量。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、準確地反映系統(tǒng)各部分的瞬態(tài)響應。第19頁，共27頁，2023年，2月20日，星期六瞬態(tài)性能分析19從中可以看出比較靠近熱源（CPU、NB）的部分溫度響應比較快，而越遠離熱源的部分響應越慢。遠離熱源的部分要等待它前面的部分做出響應后才能開始自己的響應，然后跟隨前面的部分逐步達到穩(wěn)態(tài)。這種特征使得整個系統(tǒng)在短時間內可以做出快速的部分響應，在較長時間內做出緩慢但完整的響應。這種響應特征就意味著對距離熱源較遠的點需要建立更精確的數(shù)學模型來反映它們的瞬態(tài)響應狀況。30s內標準散熱量時的溫度響應圖在較短時間（0-5s）內，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。由此可知在短時間內熱源散熱量的變化只會對附近的部分造成影響，而較遠的部分則變化較小。第20頁，共27頁，2023年，2月20日，星期六瞬態(tài)性能分析20設計散熱量時的差響應圖該圖反映了達到穩(wěn)定狀態(tài)的速率，從圖中看出靠近熱源的部分達到穩(wěn)定狀態(tài)的速率相比遠離熱源的部分需要的時間短。然而由于受到遠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到穩(wěn)定狀態(tài)。第21頁，共27頁，2023年，2月20日，星期六瞬態(tài)性能分析21設計散熱量時的差響應圖在50%的溫差內，CPU與NB上方的Block結構達到穩(wěn)定狀態(tài)的速率大致相同。超過50%之后，NB上方的Block結構達到穩(wěn)定狀態(tài)的速率明顯變慢。這可能是因為開始時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22頁，共27頁，2023年，2月20日，星期六瞬態(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。(b)

前10sPCPU=30W、PNB=10W后30s只關NB(a)前10sPCPU=30W、PNB=10W后30s只關CPU第23頁，共27頁，2023年，2月20日，星期六瞬態(tài)性能分析23圖(c)模擬開關機的情況。在較短時間內遠離熱源點的溫度也能發(fā)生明顯變化，說明該熱管散模組系統(tǒng)的瞬態(tài)響應較快。圖(d)模擬電壓不穩(wěn)導致CPU和NB的功率波動的情況。熱源散熱量在較短時間內突然增大時這種散熱結構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CPU和NB后30sPCPU=15W、PNB=5W第24頁，共27頁，2023年，2月20日，星期六瞬態(tài)性能分析24從圖（a）（b）（c）（d）可以看出：隨熱源溫度的波動，越靠近熱源的點的溫度波動越大而且很快，而越遠離熱源的點波動越小而且相對較慢。但總體上該散熱模組的瞬態(tài)響應速度較快。還可以看出由近及遠各點的溫度峰值在向右偏移，反映出在這種工況下系統(tǒng)靠后溫度點的瞬態(tài)響應的滯后性。第25頁，共27頁，2023年，2月20日，星期六瞬態(tài)性能分析25筆記本電腦內環(huán)境溫度周期性變化的瞬態(tài)溫度響應圖圖該圖是筆記本內電腦內環(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，各點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)境溫度突變的情況