風(fēng)扇結(jié)構(gòu)和肋高對(duì)芯片散熱器散熱性能的影響

風(fēng)扇結(jié)構(gòu)和肋高對(duì)芯片散熱器散熱性能的影響趙明，卞恩杰，楊茉，王治云【摘要】摘要:采用熱阻分析法和CFD軟件Fluent數(shù)值模擬相結(jié)合，研究風(fēng)扇結(jié)構(gòu)即風(fēng)扇通風(fēng)直徑或外殼厚度以及肋片高度對(duì)芯片散熱器散熱能力的影響。結(jié)果表明，較小的通風(fēng)直徑導(dǎo)致肋片散熱能力下降的根本原因?yàn)榛亓鲄^(qū)面積的增加和空氣流量的減小。此外，肋高的改變直接導(dǎo)致了流道幾何參數(shù)的改變，進(jìn)而對(duì)表面對(duì)流傳熱系數(shù)產(chǎn)生了重大的影響。期刊名稱】流體機(jī)械年(卷),期】2013(000)012總頁(yè)數(shù)】6【關(guān)鍵詞】關(guān)鍵詞:風(fēng)扇結(jié)構(gòu);肋高;散熱性能;數(shù)值模擬；Fluent軟件前言隨著電子技術(shù)的飛速發(fā)展，電子器件向集成化、小型化、大功率化方向發(fā)展，而如何對(duì)這些高功率器件進(jìn)行合理、有效的散熱，以提高其可靠性，是當(dāng)今電子設(shè)備熱設(shè)計(jì)的研究重點(diǎn)。據(jù)統(tǒng)計(jì)，電子設(shè)備的失效常常表現(xiàn)在其長(zhǎng)期處于過熱狀態(tài)下工作而產(chǎn)生。由于各類電子元件的工作頻率日趨升高，封裝體積也日趨變小，這就導(dǎo)致了熱流密度不斷提高，如果不能將這些熱量通過合理的途徑迅速傳遞到環(huán)境中去，就會(huì)造成元件的溫度過高，輕者影響工作性能，重者將導(dǎo)致元件損壞。因此，電子芯片集成水平的發(fā)展也在一定程度上受到了過高的熱流密度的制約，對(duì)電子設(shè)備熱設(shè)計(jì)進(jìn)行研究具有重要的工程應(yīng)用價(jià)值。目前，針對(duì)電子設(shè)備的冷卻散熱問題，諸多研究者主要采用數(shù)值仿真和實(shí)驗(yàn)方法針對(duì)不同冷卻介質(zhì)如風(fēng)冷系統(tǒng)、液冷系統(tǒng)的設(shè)計(jì)進(jìn)行了廣泛的研究。如Etemoglu對(duì)射流、微通道等電子設(shè)備冷卻的新技術(shù)做實(shí)驗(yàn)研究和分析，得到了一些具有實(shí)際應(yīng)用價(jià)值的結(jié)論［1］;Bessaih和Kadja對(duì)垂直通道內(nèi)的幾個(gè)電子元件上的湍流空氣進(jìn)行了數(shù)值模擬研究，找出了元件散熱相互的影響，并給了一種對(duì)于散熱比較有利的布置方式［2］;Ozturk和Tari對(duì)空冷CPU散熱器進(jìn)行了數(shù)值研究［3］;Yang和Peng采用數(shù)值方法研究了散熱器不均勻肋高的熱設(shè)計(jì)問題［4］;Cheng等綜合應(yīng)用了理論和實(shí)驗(yàn)手段對(duì)自然冷卻下的電路板上的電子元件進(jìn)行了分析，得出了一些關(guān)于自然冷卻下電路板熱特性的結(jié)論及改善措施［5］;孫滔等采用實(shí)驗(yàn)手段對(duì)液冷式CPU散熱器的傳熱強(qiáng)化性能進(jìn)行了研究［6］;Naphon等對(duì)CPU液冷微肋散熱器進(jìn)行了數(shù)值分析［7,8］;楊濤等則設(shè)計(jì)了一套水冷散熱器以控制光伏電池運(yùn)行溫度［9］。Yuan等采用數(shù)值模擬手段對(duì)板翅式散熱器的熱力學(xué)性能進(jìn)行了研究［10］;Baby和Balaji則利用試驗(yàn)手段對(duì)加裝了相變材料的肋片散熱器進(jìn)行了優(yōu)化熱分析［11］;Chen等對(duì)板翅式散熱器進(jìn)行了多目標(biāo)的優(yōu)化［12］?？諝鈴?qiáng)迫對(duì)流芯片散熱器（如CPU散熱器）是一個(gè)比較綜合的散熱系統(tǒng)，其本身散熱的好壞不僅僅取決于它自身的特點(diǎn)，與它有關(guān)的一些器件，比如風(fēng)扇的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)（這里指風(fēng)扇入口通風(fēng)內(nèi)徑或外殼的厚度），對(duì)于散熱器上肋片的流場(chǎng)也有重要的作用。此外，肋片高度優(yōu)化方面的研究雖然已有相當(dāng)多成果，但在實(shí)際散熱器設(shè)計(jì)中，肋片數(shù)量和高度之間的關(guān)系以及和整體散熱通道之間的耦合關(guān)系還需要進(jìn)一步的探討。本文主要采用理論熱阻分析法和商業(yè)CFD軟件Fluent數(shù)值模擬相結(jié)合，研究風(fēng)扇結(jié)構(gòu)和肋高對(duì)散熱器整體散熱性能的影響。物理模型和數(shù)學(xué)模型物理模型圖1示出了一個(gè)小型芯片直肋散熱器的示意，其中底部為芯片插槽區(qū)，即加熱面。風(fēng)扇進(jìn)風(fēng)面和肋片的幾何尺寸均來自實(shí)際CPU散熱器和所適配ATC風(fēng)扇的技術(shù)參數(shù)。實(shí)際散熱器為兩排肋片，單個(gè)肋片尺寸為32mm（高）x36mm（長(zhǎng)）x0.8（厚）mm。但在實(shí)際數(shù)值計(jì)算時(shí)，為簡(jiǎn)化物理模型，將兩排肋片并為一排，即計(jì)算用單個(gè)肋片尺寸為32mm（高）x72mm（長(zhǎng)）x0.8mm（厚）;肋間距為1.75mm;肋基厚度為6mm。數(shù)學(xué)模型所研究的物理問題為流固耦合問題，依據(jù)其流動(dòng)和換熱特點(diǎn)，數(shù)學(xué)模型中的對(duì)流模型基于如下假設(shè):圖1所示空間內(nèi)流體為Boussinesq型流體;肋基底部與電路主板接觸處的非加熱面部分空氣與風(fēng)扇吹出的風(fēng)正好隔著肋基，且其四周流動(dòng)狀態(tài)對(duì)稱，體積也很小，空氣幾乎不流動(dòng)，因此傳熱很小，可忽略，即為絕熱壁面;沿肋片厚度方向溫度梯度為零，因?yàn)槔吆穹浅１?，這樣可以簡(jiǎn)化肋片的計(jì)算網(wǎng)格;由于在流道內(nèi)，有使速度方向發(fā)生突變的結(jié)構(gòu)，在這些地方會(huì)導(dǎo)致不同層的流體的互相摻混，所以應(yīng)用湍流模型來進(jìn)行模擬。流動(dòng)和換熱為空氣強(qiáng)制對(duì)流換熱的三維穩(wěn)態(tài)湍流，所用湍流模型為標(biāo)準(zhǔn)k-8二方程模型［13-16］。此外，數(shù)學(xué)模型中的固體導(dǎo)熱模型為二維穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱。邊界條件:進(jìn)口風(fēng)速為4.139m/s，溫度為300K,通風(fēng)面直徑為66mm;加熱面的熱流密度為29720W/m2。出口邊界設(shè)為壓力出口條件，即靜壓p=1.01x105Pa。在實(shí)際計(jì)算中發(fā)現(xiàn)OUTFLOW自由出口條件在計(jì)算該質(zhì)量分流問題時(shí)不容易收斂，所以選用了壓力出口條件。網(wǎng)格考核本文研究由于計(jì)算模型的幾何形狀以及流體出入口方向都比較規(guī)則，故選擇了六面體網(wǎng)格。對(duì)于網(wǎng)格的尺寸，由于流體的熱容低，易流動(dòng)，物理量在各處的變化都比固體要大，在流體計(jì)算區(qū)域則要求網(wǎng)格數(shù)較多，尺寸較小。另外，因?yàn)檫吔鐚拥挠绊懀诮诿鎱^(qū)，也需要更多的網(wǎng)格。在FLUENT中，用邊界層的劃分功能可以實(shí)現(xiàn)。采用4套網(wǎng)格進(jìn)行網(wǎng)格考核，結(jié)果如表1所示。從表1可知，隨著網(wǎng)格尺寸逐步加密，方案2和3的變化在5%范圍之內(nèi)，從計(jì)算的經(jīng)濟(jì)性考量，采用網(wǎng)格劃分方案2即可滿足數(shù)值計(jì)算要求。其溫度場(chǎng)和速度場(chǎng)的數(shù)值模擬結(jié)果如圖2所示。數(shù)值計(jì)算結(jié)果和分析3.1風(fēng)扇通風(fēng)內(nèi)徑對(duì)散熱器的散熱影響散熱器實(shí)際運(yùn)行中，空氣流量并不是每一塊肋片能均勻得到的，而是一個(gè)風(fēng)扇形成的圓形風(fēng)道中，在中間部分的有更多空氣流過，二側(cè)的則較少。通過對(duì)不同口徑的風(fēng)扇入口情況下的散熱器進(jìn)行數(shù)值模擬，來分析風(fēng)扇通風(fēng)直徑對(duì)散熱器散熱性能的影響。其他條件不變，把空氣入口內(nèi)徑改為84mm,即正好涵蓋散熱器肋片的最大尺寸。數(shù)值結(jié)果如圖3和4所示。固體區(qū)域最高溫度313.74K，加熱面平均溫度313.29K,流體區(qū)域最大速度8.68m/s。最大表面對(duì)流系數(shù)135W/(m2?K),最小表面對(duì)流系數(shù)接近于0。加熱面平均溫度和固體區(qū)域最高溫度都高于原來的情況(如表1所示)。且風(fēng)扇外殼附近的表面對(duì)流換熱系數(shù)較差，這里的肋片溫度有著明顯的提高，同時(shí)這里的空氣溫度也很高。圖5(a)示出風(fēng)扇外殼附近的流體的速度矢量場(chǎng)，圖5(b)示出了接近散熱器對(duì)稱面和肋基表面部分的流體。二者雖然速度都很小，但引起的原因是不同的。在風(fēng)扇外殼附近流動(dòng)的流體由于流動(dòng)幾何通道的不規(guī)則性而導(dǎo)致的回流，并形成漩渦。而肋基附近的流體也是因?yàn)閹缀瓮ǖ赖母淖兌鴮?dǎo)致的速度減小和運(yùn)動(dòng)方向改變，但并不是回流。由于速度小的作用，可以使得肋片表面的對(duì)流系數(shù)很小。而由于回流的作用則會(huì)導(dǎo)致被加熱后的流體不容易從出口流出，并會(huì)流回原來未被加熱的流體部分，與其摻混。這樣會(huì)造成3個(gè)結(jié)果:(1)因?yàn)樗俣刃《箤?duì)流傳熱系數(shù)降低;(2)使被加熱的流體不能及時(shí)流出，升高回流區(qū)的流體溫度，更不利于這個(gè)區(qū)域的肋片散熱;(3)使得被加熱的流體流回流體溫度較低的部分，影響其他部分的換熱能力。這說明了風(fēng)扇入口內(nèi)徑的減小而導(dǎo)致的相對(duì)外殼厚度的增加對(duì)散熱器的影響，即減少了流體的流量，引起回流區(qū)域的面積增大。觀察肋片溫度場(chǎng)分布(如圖3所示)，肋片頂端的溫度梯度明顯較原來情況小了很多(圖2所示)，但是并沒有起到提高散熱的作用，文中將肋片的情況與熱阻圖結(jié)合起來分析該原因。肋片的熱阻如圖6所示。由于R2(肋片上面部分與空氣的熱阻)的增加，在其他熱阻都不變的情況下，假設(shè)Q2不變，會(huì)使dQ2變小，Q3增加，于是t3增加，在這里設(shè)t3的增加量為M3。繼續(xù)推理，可知t2的增加量M2等于At3,那么dQ1就會(huì)增加。因?yàn)镼2不變，所以Q1增加，那么t1的增加量At1大于At2,dQO的增加量大于dQ1的增加量。往發(fā)熱源依此類推，會(huì)得到發(fā)熱源的熱流Q0增大，溫度tO升高的結(jié)果。因?yàn)镼0是不變的，同時(shí)這里簡(jiǎn)化掉tO與t2之間的熱路，使Q0與Q1等價(jià)，就是說Q1是不變的。由于還要滿足At2大于0,所以M2必須小于At3,而At1就等于At2。由此可知，在肋端附近的溫度梯度減小，接近熱源的溫度梯度保持不變，雖然熱源的熱流不變，但溫度卻提高了。這個(gè)結(jié)果與上述數(shù)值模擬的結(jié)果是一致的。因此，原來減小溫度梯度能提高散熱能力的根源是減小了導(dǎo)熱熱阻，而這里卻是增大了空氣對(duì)流熱阻使得固體的溫度梯度減小，所以減小了散熱能力。綜上所述，減小進(jìn)風(fēng)入口內(nèi)徑導(dǎo)致肋片散熱能力下降的根本原因?yàn)榛亓鲄^(qū)面積的增加和空氣流量的減小。在實(shí)際散熱器的設(shè)計(jì)中，就應(yīng)當(dāng)考慮到進(jìn)風(fēng)扇外殼的厚度所產(chǎn)生的回流的影響，以便采取更好的肋片間風(fēng)道的設(shè)計(jì)方法。3.2改變肋高對(duì)散熱器的散熱影響在對(duì)肋片導(dǎo)熱的理論分析中，等截面直肋的實(shí)際散熱量為假設(shè)整個(gè)肋面處于肋基溫度下的散熱量乘以肋效率，且滿足e=f(h,A,b,S,tO-tf,h)的關(guān)系式。當(dāng)其他條件不變時(shí)，只有當(dāng)mhv3(m二hP/入Ac,其中，h為表面對(duì)流換熱系數(shù)，P為換熱周長(zhǎng)，入為肋片的導(dǎo)熱系數(shù)，Ac為肋片橫截面積)，熱流量e才隨h的增大而增大,所以肋高有一個(gè)最佳的值,而不是越大越好。采用不同肋高時(shí)的數(shù)值計(jì)算結(jié)果如表2所示。從表2可知,隨著肋高的增加,固體區(qū)域最高溫度和加熱面平均溫度都有略微減少,同時(shí)肋效率和表面平均換熱系數(shù)也都減小。理論上,增加肋高以提高換熱面積時(shí),肋高的極限值是從導(dǎo)熱的角度上分析得出的。因?yàn)槔吒叩脑黾訒?huì)使得沿肋片高度方向上的導(dǎo)熱熱阻增加,當(dāng)這個(gè)方向上的熱阻增加到一定程度的時(shí)候,會(huì)等于或小于肋片表面的對(duì)流換熱熱阻,則繼續(xù)增加肋高不僅不會(huì)提高散熱量,反而會(huì)使之降低。可見最佳的肋高是在假設(shè)表面平均換熱系數(shù)不變的情況下得出的,所以當(dāng)肋高增大時(shí),只需要考慮肋效率的減少與換熱面積的增大二者之間的關(guān)系即可。但在風(fēng)量保持一定前提下,肋高顯然是影響表面換熱系數(shù)的一個(gè)重要參量,肋高越大,肋片表面平均換熱系數(shù)越小。在熱流量不變情況下，為了使肋片表面溫度減小，當(dāng)肋高增加時(shí)，h與n會(huì)一起減少。這會(huì)導(dǎo)致實(shí)際的極限肋高要受到h>0的限制，比理論上的最佳值更小一些。但是，僅僅h>0還是不夠的，因?yàn)榧词鼓軌驈?qiáng)化散熱，但所需換熱面積很大，使得每塊肋片的表面都幾乎等同于自然對(duì)流的散熱系數(shù)，這顯然是不合理的，具體表現(xiàn)為:浪費(fèi)材料，即增加大量肋片數(shù)量而很小散熱量提高很少;會(huì)使風(fēng)扇的強(qiáng)制對(duì)流不能對(duì)肋面起作用，只能對(duì)接近風(fēng)扇的部分起強(qiáng)制對(duì)流的作用，浪費(fèi)了風(fēng)扇的能量;會(huì)使得肋間的出風(fēng)口面積增大，空氣流出速度過小，使散熱器肋片上的空氣流動(dòng)情況完全受到環(huán)境的空氣氣流動(dòng)的影響，甚至是受到阻礙作用;在一個(gè)機(jī)箱當(dāng)中，過高的肋高會(huì)對(duì)機(jī)箱內(nèi)的對(duì)流產(chǎn)生影響，并影響到其他元件上的散熱好壞。綜上所述，肋高的改變直接導(dǎo)致了流道幾何參數(shù)的改變，進(jìn)而對(duì)表面對(duì)流系數(shù)產(chǎn)生了重大的影響。因此，在實(shí)際散熱器設(shè)計(jì)中，在選取肋高上，需要考慮這方面的因素。此外，許多散熱器的設(shè)計(jì)采用的方法是增加肋片的數(shù)量以提高散熱面積，這在氣體流通阻力滿足要求的前提下，使得肋效率和表面對(duì)流系數(shù)都比較大，是優(yōu)于單方面增加肋片高度的。結(jié)語本文利用數(shù)值模擬和理論熱阻分析相結(jié)合的方法，對(duì)風(fēng)扇結(jié)構(gòu)即風(fēng)扇通風(fēng)直徑的改變以及肋片高度對(duì)芯片散熱器散熱能力的影響進(jìn)行了熱分析，結(jié)果表明，較小的通風(fēng)直徑導(dǎo)致肋片散熱能力下降的根本原因?yàn)榛亓鲄^(qū)面積的增加和空氣流量的減小。此外，肋高的改變直接導(dǎo)致了流道幾何參數(shù)的改變，進(jìn)而對(duì)表面對(duì)流傳熱系數(shù)產(chǎn)生了重大的影響。參考文獻(xiàn)[1]EtemogluAB.Abriefsurveyandeconomicalanalysisofaircoolingforelectronicequipments[J].InternationalCommunicationsinHeatandMassTransfer，2007，34:103-113.[2]BessaihR，KadjaM.Turbulentnaturalconvectioncoolingofelectroniccomponentsmountedonaverticalchannel[J].AppliedThermalEngineering，2000，20:141-154.[3]OzturkE，TariI.ForcedaircoolingofCPUswithheatsinks:anumerimalstudy[J].IEEETransactiononComponentsandPackgingTechnologies，2008，31(3):650-660.[4]YangYue-Tzu，PengHuan-Sen.Numericalstudyofpin-finheatsinkwithun-uniformfinheightdesign[J].InternationalJournalofHeatandMassTransfer，2008，51(19-20):4788-4796.ChengHsien-Chie，ChenWen-Hwa，ChengHwa-Fa.Theoreticalandexperimentalcharacterizationofheatdissipationinaboard-levelmicroelectroniccomponent[J].AppliedThermalEngineering，2008，28:575-588.孫滔，高學(xué)農(nóng)，歐陽(yáng)燦，等.液冷式CPU散熱器的傳熱強(qiáng)化及流阻性能[J].流體機(jī)械，2011,39(1):57-61.[7]PaisarnNaphon，SethaKlangchart，SomchaiWongwises.Numericalinvestigationontheheattransferandflowinthemini-finheatsinkforCPU[J].InternationalCommunicationsinHeatandMassTransfer，2009，36(8):834-840.[8]PaisarnNaphon，SongkranWiriyasart.Liquidcoolinginthemini-rectangularfinheatsinkwithandwithoutthermoelectricforCPU[J].InternationalCommunicationsinHeatandMassTransfer，2009，36(2):166-171.[9]楊濤，韓玉閣，譚洪，等?熱光伏發(fā)電系統(tǒng)水冷散熱特性研究[J].熱能動(dòng)力工程，2011，(4):461-465.[10]YuanWuhan,ZhaoJiyun,TsoCP,etal.Numericalsimulationofthethermalhydraulicperformanceofapl