风扇结构和肋高对芯片散热器散热性能的影响

风扇结构和肋高对芯片散热器散热性能的影响赵明，卞恩杰，杨茉，王治云【摘要】摘要:采用热阻分析法和CFD软件Fluent数值模拟相结合，研究风扇结构即风扇通风直径或外壳厚度以及肋片高度对芯片散热器散热能力的影响。结果表明，较小的通风直径导致肋片散热能力下降的根本原因为回流区面积的增加和空气流量的减小。此外，肋高的改变直接导致了流道几何参数的改变，进而对表面对流传热系数产生了重大的影响。期刊名称】流体机械年(卷),期】2013(000)012总页数】6【关键词】关键词:风扇结构;肋高;散热性能;数值模拟；Fluent软件前言随着电子技术的飞速发展，电子器件向集成化、小型化、大功率化方向发展，而如何对这些高功率器件进行合理、有效的散热，以提高其可靠性，是当今电子设备热设计的研究重点。据统计，电子设备的失效常常表现在其长期处于过热状态下工作而产生。由于各类电子元件的工作频率日趋升高，封装体积也日趋变小，这就导致了热流密度不断提高，如果不能将这些热量通过合理的途径迅速传递到环境中去，就会造成元件的温度过高，轻者影响工作性能，重者将导致元件损坏。因此，电子芯片集成水平的发展也在一定程度上受到了过高的热流密度的制约，对电子设备热设计进行研究具有重要的工程应用价值。目前，针对电子设备的冷却散热问题，诸多研究者主要采用数值仿真和实验方法针对不同冷却介质如风冷系统、液冷系统的设计进行了广泛的研究。如Etemoglu对射流、微通道等电子设备冷却的新技术做实验研究和分析，得到了一些具有实际应用价值的结论［1］;Bessaih和Kadja对垂直通道内的几个电子元件上的湍流空气进行了数值模拟研究，找出了元件散热相互的影响，并给了一种对于散热比较有利的布置方式［2］;Ozturk和Tari对空冷CPU散热器进行了数值研究［3］;Yang和Peng采用数值方法研究了散热器不均匀肋高的热设计问题［4］;Cheng等综合应用了理论和实验手段对自然冷却下的电路板上的电子元件进行了分析，得出了一些关于自然冷却下电路板热特性的结论及改善措施［5］;孙滔等采用实验手段对液冷式CPU散热器的传热强化性能进行了研究［6］;Naphon等对CPU液冷微肋散热器进行了数值分析［7,8］;杨涛等则设计了一套水冷散热器以控制光伏电池运行温度［9］。Yuan等采用数值模拟手段对板翅式散热器的热力学性能进行了研究［10］;Baby和Balaji则利用试验手段对加装了相变材料的肋片散热器进行了优化热分析［11］;Chen等对板翅式散热器进行了多目标的优化［12］。空气强迫对流芯片散热器（如CPU散热器）是一个比较综合的散热系统，其本身散热的好坏不仅仅取决于它自身的特点，与它有关的一些器件，比如风扇的结构特点（这里指风扇入口通风内径或外壳的厚度），对于散热器上肋片的流场也有重要的作用。此外，肋片高度优化方面的研究虽然已有相当多成果，但在实际散热器设计中，肋片数量和高度之间的关系以及和整体散热通道之间的耦合关系还需要进一步的探讨。本文主要采用理论热阻分析法和商业CFD软件Fluent数值模拟相结合，研究风扇结构和肋高对散热器整体散热性能的影响。物理模型和数学模型物理模型图1示出了一个小型芯片直肋散热器的示意，其中底部为芯片插槽区，即加热面。风扇进风面和肋片的几何尺寸均来自实际CPU散热器和所适配ATC风扇的技术参数。实际散热器为两排肋片，单个肋片尺寸为32mm（高）x36mm（长）x0.8（厚）mm。但在实际数值计算时，为简化物理模型，将两排肋片并为一排，即计算用单个肋片尺寸为32mm（高）x72mm（长）x0.8mm（厚）;肋间距为1.75mm;肋基厚度为6mm。数学模型所研究的物理问题为流固耦合问题，依据其流动和换热特点，数学模型中的对流模型基于如下假设:图1所示空间内流体为Boussinesq型流体;肋基底部与电路主板接触处的非加热面部分空气与风扇吹出的风正好隔着肋基，且其四周流动状态对称，体积也很小，空气几乎不流动，因此传热很小，可忽略，即为绝热壁面;沿肋片厚度方向温度梯度为零，因为肋厚非常薄，这样可以简化肋片的计算网格;由于在流道内，有使速度方向发生突变的结构，在这些地方会导致不同层的流体的互相掺混，所以应用湍流模型来进行模拟。流动和换热为空气强制对流换热的三维稳态湍流，所用湍流模型为标准k-8二方程模型［13-16］。此外，数学模型中的固体导热模型为二维稳态导热。边界条件:进口风速为4.139m/s，温度为300K,通风面直径为66mm;加热面的热流密度为29720W/m2。出口边界设为压力出口条件，即静压p=1.01x105Pa。在实际计算中发现OUTFLOW自由出口条件在计算该质量分流问题时不容易收敛，所以选用了压力出口条件。网格考核本文研究由于计算模型的几何形状以及流体出入口方向都比较规则，故选择了六面体网格。对于网格的尺寸，由于流体的热容低，易流动，物理量在各处的变化都比固体要大，在流体计算区域则要求网格数较多，尺寸较小。另外，因为边界层的影响，在近壁面区，也需要更多的网格。在FLUENT中，用边界层的划分功能可以实现。采用4套网格进行网格考核，结果如表1所示。从表1可知，随着网格尺寸逐步加密，方案2和3的变化在5%范围之内，从计算的经济性考量，采用网格划分方案2即可满足数值计算要求。其温度场和速度场的数值模拟结果如图2所示。数值计算结果和分析3.1风扇通风内径对散热器的散热影响散热器实际运行中，空气流量并不是每一块肋片能均匀得到的，而是一个风扇形成的圆形风道中，在中间部分的有更多空气流过，二侧的则较少。通过对不同口径的风扇入口情况下的散热器进行数值模拟，来分析风扇通风直径对散热器散热性能的影响。其他条件不变，把空气入口内径改为84mm,即正好涵盖散热器肋片的最大尺寸。数值结果如图3和4所示。固体区域最高温度313.74K，加热面平均温度313.29K,流体区域最大速度8.68m/s。最大表面对流系数135W/(m2・K),最小表面对流系数接近于0。加热面平均温度和固体区域最高温度都高于原来的情况(如表1所示)。且风扇外壳附近的表面对流换热系数较差，这里的肋片温度有着明显的提高，同时这里的空气温度也很高。图5(a)示出风扇外壳附近的流体的速度矢量场，图5(b)示出了接近散热器对称面和肋基表面部分的流体。二者虽然速度都很小，但引起的原因是不同的。在风扇外壳附近流动的流体由于流动几何通道的不规则性而导致的回流，并形成漩涡。而肋基附近的流体也是因为几何通道的改变而导致的速度减小和运动方向改变，但并不是回流。由于速度小的作用，可以使得肋片表面的对流系数很小。而由于回流的作用则会导致被加热后的流体不容易从出口流出，并会流回原来未被加热的流体部分，与其掺混。这样会造成3个结果:(1)因为速度小而使对流传热系数降低;(2)使被加热的流体不能及时流出，升高回流区的流体温度，更不利于这个区域的肋片散热;(3)使得被加热的流体流回流体温度较低的部分，影响其他部分的换热能力。这说明了风扇入口内径的减小而导致的相对外壳厚度的增加对散热器的影响，即减少了流体的流量，引起回流区域的面积增大。观察肋片温度场分布(如图3所示)，肋片顶端的温度梯度明显较原来情况小了很多(图2所示)，但是并没有起到提高散热的作用，文中将肋片的情况与热阻图结合起来分析该原因。肋片的热阻如图6所示。由于R2(肋片上面部分与空气的热阻)的增加，在其他热阻都不变的情况下，假设Q2不变，会使dQ2变小，Q3增加，于是t3增加，在这里设t3的增加量为M3。继续推理，可知t2的增加量M2等于At3,那么dQ1就会增加。因为Q2不变，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。往发热源依此类推，会得到发热源的热流Q0增大，温度tO升高的结果。因为Q0是不变的，同时这里简化掉tO与t2之间的热路，使Q0与Q1等价，就是说Q1是不变的。由于还要满足At2大于0,所以M2必须小于At3,而At1就等于At2。由此可知，在肋端附近的温度梯度减小，接近热源的温度梯度保持不变，虽然热源的热流不变，但温度却提高了。这个结果与上述数值模拟的结果是一致的。因此，原来减小温度梯度能提高散热能力的根源是减小了导热热阻，而这里却是增大了空气对流热阻使得固体的温度梯度减小，所以减小了散热能力。综上所述，减小进风入口内径导致肋片散热能力下降的根本原因为回流区面积的增加和空气流量的减小。在实际散热器的设计中，就应当考虑到进风扇外壳的厚度所产生的回流的影响，以便采取更好的肋片间风道的设计方法。3.2改变肋高对散热器的散热影响在对肋片导热的理论分析中，等截面直肋的实际散热量为假设整个肋面处于肋基温度下的散热量乘以肋效率，且满足e=f(h,A,b,S,tO-tf,h)的关系式。当其他条件不变时，只有当mhv3(m二hP/入Ac,其中，h为表面对流换热系数，P为换热周长，入为肋片的导热系数，Ac为肋片横截面积)，热流量e才随h的增大而增大,所以肋高有一个最佳的值,而不是越大越好。采用不同肋高时的数值计算结果如表2所示。从表2可知,随着肋高的增加,固体区域最高温度和加热面平均温度都有略微减少,同时肋效率和表面平均换热系数也都减小。理论上,增加肋高以提高换热面积时,肋高的极限值是从导热的角度上分析得出的。因为肋高的增加会使得沿肋片高度方向上的导热热阻增加,当这个方向上的热阻增加到一定程度的时候,会等于或小于肋片表面的对流换热热阻,则继续增加肋高不仅不会提高散热量,反而会使之降低。可见最佳的肋高是在假设表面平均换热系数不变的情况下得出的,所以当肋高增大时,只需要考虑肋效率的减少与换热面积的增大二者之间的关系即可。但在风量保持一定前提下,肋高显然是影响表面换热系数的一个重要参量,肋高越大,肋片表面平均换热系数越小。在热流量不变情况下，为了使肋片表面温度减小，当肋高增加时，h与n会一起减少。这会导致实际的极限肋高要受到h>0的限制，比理论上的最佳值更小一些。但是，仅仅h>0还是不够的，因为即使能够强化散热，但所需换热面积很大，使得每块肋片的表面都几乎等同于自然对流的散热系数，这显然是不合理的，具体表现为:浪费材料，即增加大量肋片数量而很小散热量提高很少;会使风扇的强制对流不能对肋面起作用，只能对接近风扇的部分起强制对流的作用，浪费了风扇的能量;会使得肋间的出风口面积增大，空气流出速度过小，使散热器肋片上的空气流动情况完全受到环境的空气气流动的影响，甚至是受到阻碍作用;在一个机箱当中，过高的肋高会对机箱内的对流产生影响，并影响到其他元件上的散热好坏。综上所述，肋高的改变直接导致了流道几何参数的改变，进而对表面对流系数产生了重大的影响。因此，在实际散热器设计中，在选取肋高上，需要考虑这方面的因素。此外，许多散热器的设计采用的方法是增加肋片的数量以提高散热面积，这在气体流通阻力满足要求的前提下，使得肋效率和表面对流系数都比较大，是优于单方面增加肋片高度的。结语本文利用数值模拟和理论热阻分析相结合的方法，对风扇结构即风扇通风直径的改变以及肋片高度对芯片散热器散热能力的影响进行了热分析，结果表明，较小的通风直径导致肋片散热能力下降的根本原因为回流区面积的增加和空气流量的减小。此外，肋高的改变直接导致了流道几何参数的改变，进而对表面对流传热系数产生了重大的影响。参考文献[1]EtemogluAB.Abriefsurveyandeconomicalanalysisofaircoolingforelectronicequipments[J].InternationalCommunicationsinHeatandMassTransfer，2007，34:103-113.[2]BessaihR，KadjaM.Turbulentnaturalconvectioncoolingofelectroniccomponentsmountedonaverticalchannel[J].AppliedThermalEngineering，2000，20:141-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