热管散热模组瞬态性能热分析

热管散热模组瞬态性能热分析第1页，共27页，2023年，2月20日，星期六1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。第2页，共27页，2023年，2月20日，星期六引言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第3页，共27页，2023年，2月20日，星期六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引言第4页，共27页，2023年，2月20日，星期六如图所示，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第5页，共27页，2023年，2月20日，星期六引言因此，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第6页，共27页，2023年，2月20日，星期六热力分块模型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。第7页，共27页，2023年，2月20日，星期六7热管散热模组实物图热力分块模型第8页，共27页，2023年，2月20日，星期六热力分块模型8两热源散热模组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。第9页，共27页，2023年，2月20日，星期六9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特性。本例采用第一种，既“Toothbrush”型肋片换热器。Toothbrush型穿插型第10页，共27页，2023年，2月20日，星期六10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翅片的结构参数第11页，共27页，2023年，2月20日，星期六11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4.16m/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

第12页，共27页，2023年，2月20日，星期六12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

第13页，共27页，2023年，2月20日，星期六13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第14页，共27页，2023年，2月20日，星期六热管热阻分析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；R2：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热力分块模型第15页，共27页，2023年，2月20日，星期六15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第16页，共27页，2023年，2月20日，星期六16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处热容C(J/℃)0.270.452.683.341.411.394.233.580热阻R(℃/W)0.210.310.430.420.811.110.461.14两热源散热模组热阻网络图芯片标准散热量PCPU=30W、PNB=10W。取入口空气为25℃，按照Intel的方法笔记本电脑工作时主板其他元件有对环境15℃的温升，故

=40℃。第17页，共27页，2023年，2月20日，星期六瞬态性能分析17两热源散热模组热阻网络图应用热力学第一定律，建立双热源散热模组的控制方程：热阻

为第i点与第j点间的热阻

对含源节点，如CPU：对第i个不含热源节点：在MATLAB中应用龙格-库塔(R-K)法解上述节点组成的方程组，就可得出热管散热模组的瞬态响应温度值。第18页，共27页，2023年，2月20日，星期六瞬态性能分析18120s内标准散热量时的温度响应图从图中可以看出由于CPU的发热量比NB的发热量高20W，CPU的终温比NB高大约20℃，CPU处的温差也比NB处大。热管散热模组在较短时间（60s）内即基本达到热平衡，这符合热管的“超导热性”，热管可有效传导热源的热量。肋基与环境间的温差最大，这与肋片散热器的热阻最大一致。说明这种分块模型能够真实、准确地反映系统各部分的瞬态响应。第19页，共27页，2023年，2月20日，星期六瞬态性能分析19从中可以看出比较靠近热源（CPU、NB）的部分温度响应比较快，而越远离热源的部分响应越慢。远离热源的部分要等待它前面的部分做出响应后才能开始自己的响应，然后跟随前面的部分逐步达到稳态。这种特征使得整个系统在短时间内可以做出快速的部分响应，在较长时间内做出缓慢但完整的响应。这种响应特征就意味着对距离热源较远的点需要建立更精确的数学模型来反映它们的瞬态响应状况。30s内标准散热量时的温度响应图在较短时间（0-5s）内，分块模型中只有靠近热源的部分才会来得及做出明显的响应。由此可知在短时间内热源散热量的变化只会对附近的部分造成影响，而较远的部分则变化较小。第20页，共27页，2023年，2月20日，星期六瞬态性能分析20设计散热量时的差响应图该图反映了达到稳定状态的速率，从图中看出靠近热源的部分达到稳定状态的速率相比远离热源的部分需要的时间短。然而由于受到远离热源部分的滞后影响，即使靠近热源的部分也需要较长的时间才能最终达到稳定状态。第21页，共27页，2023年，2月20日，星期六瞬态性能分析21设计散热量时的差响应图在50%的温差内，CPU与NB上方的Block结构达到稳定状态的速率大致相同。超过50%之后，NB上方的Block结构达到稳定状态的速率明显变慢。这可能是因为开始时CPU与NB的温度差别不大，CPU处对NB处的影响不大。由于CPU的散热量远比NB大，随着时间的增加CPU处比NB处的温度明显升高，致使NB处的散热速率受到抑制。第22页，共27页，2023年，2月20日，星期六瞬态性能分析22图(a)、(b)分别模拟CPU和NB发生故障的情况。(a)、(b)对比可以看出CPU的功率变化对NB的温度影响较大。NB的温度变化几乎不影响CPU的正常温度响应。(b)

前10sPCPU=30W、PNB=10W后30s只关NB(a)前10sPCPU=30W、PNB=10W后30s只关CPU第23页，共27页，2023年，2月20日，星期六瞬态性能分析23图(c)模拟开关机的情况。在较短时间内远离热源点的温度也能发生明显变化，说明该热管散模组系统的瞬态响应较快。图(d)模拟电压不稳导致CPU和NB的功率波动的情况。热源散热量在较短时间内突然增大时这种散热结构基本上能满足散热要求。(c)前10sPCPU=30W、PNB=10W(d)

前10sPCPU=45W、PNB=20W

后30s关CPU和NB后30sPCPU=15W、PNB=5W第24页，共27页，2023年，2月20日，星期六瞬态性能分析24从图（a）（b）（c）（d）可以看出：随热源温度的波动，越靠近热源的点的温度波动越大而且很快，而越远离热源的点波动越小而且相对较慢。但总体上该散热模组的瞬态响应速度较快。还可以看出由近及远各点的温度峰值在向右偏移，反映出在这种工况下系统靠后温度点的瞬态响应的滞后性。第25页，共27页，2023年，2月20日，星期六瞬态性能分析25笔记本电脑内环境温度周期性变化的瞬态温度响应图图该图是笔记本内电脑内环境温度在40℃和50℃之间阶越变化，PCPU=30W、PNB=10W时系统的瞬态响应，各点温度都呈逐步上升趋势。此图模拟冷却系统故障致使环境温度突变的情况