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CPU芯片热管散热器设计方案

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CPU芯片热管散热器设计方案 

 

设计的概述  

设计一个热管之前,要针对设计热管规格,先思考几个问题:选择使用工质,选择管材,选择毛细结构。因为这些因素决定至 后,便已经限制你设计的热管的性能,而且这几个因素还需要互相搭配,例如要使用水为工质时,管材的选择就必须要与水不会发生反应的材质,另外,有些材质无法使用烧结的毛细结构来制作热管,这都是需要事先考量的,我们在以下分说明:

选择工质      

一般选择热管工质所要考虑的因素,除了热管操作温度范围、高热传量与低热阻,还需考量工质与管壳及毛结构的兼容性。      1.操作温度:选择沸点在操作温度附近的工质才能使其顺利在热管内部进行蒸发和凝结,若操作温度略低于工质沸点时,也可降低管内压力使其易于蒸发。而凝固点则必须低于最低操作温度,以防止工质凝固。考虑应用于计算机之微热管,其操作温度范围约在40~100℃间,     2.热传量:工质的表面张力大,在热管内部液体流动过程中产生的毛细力便增加,有助于液体的回流;汽化潜热大,表示单位质量吸收或释放的热量大,即热传量增加;液体黏滞系数小,在流动过程中阻力便降低,同样有助于液体的回流。这些工质的特性,都会直接或间接影响热管热传量,我们可以用Merit Number : 来表示工质传输特性表示工质液体传输能力越大,热管的热传量也越大。为应用于计算机的热管操作温度下,可选用工质之温度与 的关系图。图中可以发现水较其它适用的工质约大了一个数量级数,而Flutec PP2Flutec PP9则明显太小而不适用。 

 

                         工质之温度与M的关系图 

3.热阻:一定蒸汽压降下,蒸汽温差小的工质使热管的轴向热阻较小。其次,径向热阻方面,对于本实验操作温度下适用的工质,导热系数都较低,温差主要取决于工质液体在毛细结构层中是否发生沸腾。针对本实验使用烧结层为毛细结构时,沸腾产生的蒸汽容易受到液膜阻碍而在烧结层内增加径向热阻,因此应选择较不易发生沸腾的工质。      4.管壳与毛细结构的兼容性:与管壳或毛细结构产生化学变化的工质是不能采用的。因此在选择工质时,也应与管壳同时考量。前人针对兼容性做过许多实验,为适合本实验操作温度下之工质,其与材质兼容性之试验结果。

     管壳材料的选择    

     一般而言,应用于计算机的热管除了必须有足够的热传量,也必须尽量降低其热阻。因此,在选择管壁方面,必须选择传导率较高的材质,尤其对于管径较小的热管,管壁的传导率往往决定了热阻大小。基于这个因素,一般管壁可选择无氧铜。其特性是热传导率高,这将更有助于达到降低热阻的效果。此外,管壁材料的选择还必须考虑焊接时的气密性,挤压性良好的无氧铜在制造上将有助于保持内部低压的状态。最后,烧结时炉内部通氢气,无氧铜在这种还原气氛中,即使加热至高温亦不至于引起氢脆化现象。 5.4 毛细结构之选择      在毛细结构选择方面,一般较小尺寸的热管通常考虑使用单一结构,包括沟槽式、网目式及烧结式。本论文之所以选择烧结式,是因为烧结所产生的有效毛细半径很小,毛细力远大过于沟槽所产生的毛细力;而热阻方面,相较于网目式贴附于管壁不易紧密的缺点,烧结式热管所产生的热阻较网目式更低。 热管之设计规格      我们以图的热管规格为例,其相关的参数表中所示。

 

       为了制作适用于计算机内部的热管规格,管径不宜过大;而过小的管径也会造成热传量大幅降低,无法合乎要求。根据目前计算机尺寸的设计,热管管径在内部仅能占约3mm,因此在有限的外径下,增加管内径将有助于热传量的提升。但在减少管壁厚度的同时,必须考虑到热管在操作时必须承受约一大气压的压力差,管壁过薄将使结构上向内变形。对于纯铜的圆管在100℃时,平

均直径与管壁厚度的比值必须小于79。若平均直径为3mm,则管壁必须大于0.038mm。因此,本实验在管壁设计上并不太需要考虑这个问题,反而是抽制铜管时,一般能抽到最薄的程度是多少。目前市面上常见到的热管,管壁大约都在0.3mm,故本实验选取无氧铜管C1020T,外径3mm,壁厚0.3mm,长度200mm。特别一提的是,热管长度的设计上,随计算机厂商设计热模块型式的不同而有不同的需求长度,在实验中订定200mm是考虑其为较一般使用的长度。  烧结层方面的尺寸设计,主要根据理论分析而来。烧结层会影响热管性能的因素主要包括烧结层厚度、孔隙度与粉末粒径。设计上,我们只能决定烧结层厚度与粉末粒径,而孔隙度在实验上目前是无法控制的变因,仅能在烧结后将其量测出来。      一般而言,热管在计算机的热模块上,热阻远比其它接触面产生的热阻要小很多,一味降低热管的热阻对于最后热模块合计产生的热阻几乎没有多大作用,因此这部分设计上还是尽量只考虑热传量的因素。视密度较低的粉末意味着当自然填粉时,造成的空孔较多,烧结后的孔隙度也较大。一般而言,电解粉较球状粉末有较低的视密度,故选择粉末时采用电解针状粉。因为本实验在填粉过程中是采用让粉末自然堆积的方式,一旦形状选择后,孔隙度就大致决定了,而能再改变最大热传量及热阻的因素就只剩烧结层厚度及粉末粒径。由于使用针状粉末堆积,在计算时与球状堆积结果会有不同,但趋势则大致是相同的。

          热管介质的选取

热管工作流体 工作流体的选择  

热管是靠壳体内工作流体的相变和流动过程中质量的转移传送热量的。工作流体的各种性能对热管工作特性有重要的影响。工作流体的选择除考虑工作温度适应范围外,还应考虑的问题是工质与热管材质间的相容性及工质的热稳定性  工质与材质之间一旦不相容将导致热管的性能坏或失效,要求工质在工作温度范围内不变质、发生化学反应和分解反应,不产生不凝结气体和锭物等。由于低温热管在常温下处于超临界状态,求热管材质必须能够承受足够的内压力,一般低温热管都是采用不锈钢ICrl8Ni9Ti。这种材料能够满低温热管需要承受的压力(除了氢气能使不锈钢生氢脆现象外),是一种普遍使用的热管材质。

 工质的物性 

热管的毛细极限传热量是随工质的品质因数N(N=ρ ισr /μτ)增大而增大 的,该因数是反映工质性对热管轴向传热能力的影响。因此,要求工质汽化潜热和表面张力要大,粘度要低,润湿性能好,从而使工质的品质因数N提高,并从物性上为管的优良传热性能提供保证。低温热虹吸管不含细芯结构,品质因数对热虹吸管性能的影响没有含吸液芯的热管影响那么大,但是低温热虹吸管选择工质时还是应尽量选择潜热大、导热系数高、湿性好的工质作为工作流体。  另外,工质的液一汽密度比值也是一个不可忽韵因素。这对热管内部的设计带来很大的影响,为热管横截面积是由该密度比值所决定。一般来说,低温热管中的液体流动面积比采用其它工质的动面积要大。如果液膜太厚的话,由于低温流体导热系数很低,会大大增加热管径向的温度梯度。

 安全及经济性  

选择工质时除考虑上述因素外,还应考虑安全性及经济性。低温热管由于在常温环境存放时其工质温度已超过临界点,热管壳体内压力很大,因此在设计热管时可选用ρι/Mg较小的工质,以减小存放时的内压。对于以传热为主的热管,尽量不采用易燃、易爆和有毒的工质。热管的成本也是需要考虑的重要因素。尽管热管中所用的工质数量较少,但是由它所确定的管壳及管芯材料对热管的成本影响很大。

热管介质的选取对比试验

实验系统  实验系统由热水系统、测试小室真空系统、散热器真空系统、温度控制系统、参数测量系统等五个子系统组成。  散热器热媒供回水温度由WMY-01B数字温度计测定,流量由LZB-15浮子流量计和台秤测定,散热器表面温度由铜-康铜热电偶和UJ-36型携带式电位差计测定,热虹吸散热器内部压力由Z-60型真空压力表测定,另外记录时间的秒表一支,全部测试仪器、仪表经过校定,散热器表面热电偶。  本实验选用目前普遍使用的铜制柱型散热器为实验对象,为了比较,同时作了常规散热器实验和不同工质的散热器实验。  热管工质的热物理特性对热虹吸管的热工性能有着关键性的影响,热管是依靠工作液体的相变来传递热量的,其选择一般应考虑以下一些原则[1]  1.工作液体应适应热管的工作温度区,并有适当的饱和蒸汽压; 2.工作液体与壳体、吸液芯材料应相容,且应具有良好的热稳定性; 3.工作液体应具有良好的综合热物理性质,要求液体的输运因素大; 4.其他,包括经济性、毒性、环境污染等。

  实验测试方法

  每一测试周期为60分钟,每次测试前系统热平衡时间45分钟。实验过程中,为了便于与常规散热器进行性能比较,通过调整热媒流量的办法使各实验散热器的表面平均温度对应热媒进水温度的变化基本一致;另外,对于散热器,工质灌注量为1250ml。测试数据经过整理后,如图所示,图例说明中,“常规”、“水”、“R11”、“甲醇”、“丙酮”分别指常规散热器和热管工质相应为水、R11、甲醇、丙酮的散热器,括号中数值为各种实验散热器相应的热媒流量。

 测试结果分析

 

                表面平均温度随热煤进水温度变化

                散热器总散热量随热媒进水温度变化

 

 

 

                          辐射放热百分比随进水温度变化

依据热管原理,分析数据,可以得出一些具有重要工程指导意义的结论:      1.散热器的放热能力及常规散热器。   对于同样的热媒进水温度,热管要达到与常规散热器相同的表面温度,水、甲醇、丙酮工质热虹吸散热器对应的热媒流量需要分别增大到约3.54倍、3.44倍、3.26倍;而对于R11工质热吸散热器,实验中,考虑到散热器内压力太大,热媒流量较小,散热器表面平均温度相应较低;各种工质散热器的散热量明显低于常规散热器。

散热器属于“二次换热”,总的传热热阻比常规散热器大,使得以外表面计算的总传热系数下降;受结构的局限,散热器“蒸发段”传热面积远小于“冷凝段”传热面积,因而其传热能力主要取决于热媒管与工质之间的热阻。另有研究表明,强化热媒与工质之间的换热可以提高热虹吸散热器总传热系数30%以上。   2.吸散热器具有与常规散热器相反的表面温度均匀性特性。   常规散热器表面温度不均匀,存在明显的“热区”和“冷区”,热媒出口附近散热器表面测试温度值明显低于热媒进口附近的测试温度值,散热器表面温度标准偏差数据比R11、甲醇、丙酮工质散热器相应数值高得多,而且其数值随着热媒温度的升高而加大;R11、甲醇、丙酮工质热虹吸散热器表现出良好的表面温度均匀性特性,但水工质散热器在热媒进水温度低于88℃时,散热器表面温度标准偏差值与常规散热器不相上下,热媒进水温度88℃后,水工质散热器表现出良好的表面温度均匀性;随着热媒进水温度的升高,各种实验工质散热器的表面温度均匀性越显著。   对于常规散热器,热媒温度越高,进、出口端受热不均匀越显著,相应进、出口端散热器表面温度的不均匀性也越明显;而对于散热器,表面温度不均匀是工质蒸汽不均匀分布和残存不凝性气体阻止蒸汽凝结放热引起的。沿热媒管长度方向,工质在热媒入口端比出口端沸腾强烈,常规散热器片式或柱式结构形式阻碍了热虹吸工质在散热器内部的横向流动,导致散热器表面温度的不均匀性,随着散热器的温度升高,不凝性气体的影响相对减弱,散热器的表面温度均匀性进一步改善,另外,开发有利于工质蒸汽在散热器内部均匀分布的散热器结构形式,可进一步克服沿热媒管方向工质不均匀受热造成的表面温度不均匀现象。                                         3.适当的饱和蒸汽压范围是选择热散热器工质的重要决定因素。 

  热管散热器主要依靠工作液体的相变来传递热量,工作液体应具有良好的综合热物理性质,要求液体的输运因素大,并有适当的饱和蒸汽压;与经典热管不同的是,热热管没有吸液芯结构,凝结液在重力作用下回流,其最大传热能力主要受限于携带极限,而本研究中作为散热器形式的常温重力热吸管,内腔相对开阔,上升蒸汽流对壁面回流冷凝液的影响并不显著,工作温度区域内适当的饱和气压显得更为重要。  适当的饱和蒸汽压是热管在通常热媒温度范围内正常启动的条件,实验中,R11、丙酮、甲醇、水工质的热虹吸散热器的启动温度依次提高也说明了这一点;另外,过高、过低的饱和蒸汽压,以及散热器运行时内部大跨度的压力变化还给工程运用带来工艺实现上的困难;所以,水、R11不宜作为一般供暖热散热器工质;而甲醇、丙酮工质散热器内的压力则在大气压附近变化,是较理想的选择。  尽管水有很高的输运因素,测试数据表明,水工质散热器的热工性能并不优越,特别是热媒流量较小或热媒温度较低时,传热量较小,散热器在较低温度下运行,这时饱和气压很低,蒸汽非常稀薄,凝结放热量小,散热器性能不佳。   4.残存不凝性气体对热散热器热工性能有关键性不利影响。  由于工艺上的局限,散热器内必然不同程度地残留一定量的空气等不凝结性气体,对热散热器的热工性能带来不利影响,这种影响在工质饱和蒸汽压较低时尤其显著,也从另一个方面说明了水不宜作为一般供暖热管工质。  不凝结性气体存在,导致启动温度上移,在热媒温度较低或热媒流量不足时,散热器不能启动,因而不能供热,实验中,水工质的热管在热媒温度较低时启动困难也说明了这一点。

  由于不凝结性气体在散热器内壁面形成气膜,阻碍蒸汽的凝结放热,导致吸效果恶化,在热功率较小时甚至导致热吸现象停止,散热器性能大大降低或破坏,实验中,水工质热吸散热器在热媒温度较低时,热工性能并不优越也说明了这一点,但是,当热媒进水温度超过88℃以后,水工质散热器热工性能显著改善,因为随着散热器的温度升高,饱和蒸汽压提高,不凝性气体的影响相对减弱。   5.综合各种实验数据既考虑到经济性,选取常见的甲醇作为热管的传导介质较为恰当。

 

 

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