基于平板微热管阵列的CPU风冷散热装置研究

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中文摘要：随着电子器件性能的不断提高和尺寸的小型化，散热问题成为制约其发展的主要障碍。风冷技术存在冷却剂容易获得，所需设备简单、可靠、成本低的实际应用优势。在风冷强迫对流、机箱内散热装置空间受限的情况下，进一步提高热沉的传热效率、降低风扇功耗具有实际研究意义。以当前节能减排大环境和传统风冷热沉技术达到瓶颈为背景，结合具有高效传热性能的平板微热管阵列技术、翅片-平板微热管一体化技术，针对服务器CPU设计制造出新型风冷散热装置，为风冷状态下的高功率CPU散热提供一种低成本、易制造、可应用于实际的解决办法。聚焦于实际可应用性，在设计制造散热装置时，测量服务器机箱的内部原有散热片的实际尺寸、内部空间的极限尺寸，作为设计的重要参考指标。通过挤压工艺和切割工艺制造出单模块平板微热管阵列-翅片一体化散热装置实物。通过粘接得到双模块平板微热管阵列-翅片一体化散热装置实物。搭建可更换实验件的风道实验台，包括热源系统、风道冷却系统及测试系统。用于探究散热装置的传热及流动性能。针对单模块散热装置，主要探究了流动形式、改变接触部分导热材料、开槽等对散热装置散热效果的研究。针对双模块开槽散热装置，通过实验的方法针对这种新型散热装置的传热及流动性能进行了具体的研究。实验研究显示，双模块翅片-平板微热管阵列一体化散热装置，在环境温度20℃，雷诺数1000左右的实验条件下，保证热源铜块的温度低于75℃，该散热装置的散热功率可达到130W。分析了不同输入风量的影响，得到通过提高强迫对流风量降温的极限。随后讨论本散热装置各部分热阻，预测进一步提高热流密度时，本散热装置的散热能力及优化潜力。通过数值模拟的方法进一步探究阵列翅片部分的优化潜能。建立整体及单列数值模拟模型，利用ANSYSFluent软件进行计算，利用实验结果对模拟结果进行验证，肯定了全局建模部分简化的建模方法的可行性。利用单列翅片模型，研究了雷诺数500～2000范围内散热装置不同开槽尺寸及旁通间距对散热效果的影响。竖向翅片间距为空气的主要流道结合热阻及风阻存在最优翅片间距为1.4;竖向翅片宽度决定竖向翅片面积，加大竖向翅片面积不能降低散热装置热阻及风阻，竖向翅片宽度应在工艺条件下尽量降低;用散热效果的角度考虑，应增设导热装置避免冷量浪费。主要创新点如下:1)在散热装置本身结构，即应用热管加翅片排布方式方面进行创新，得到一种新形式的CPU热沉散热装置。散热装置为全铝制制造，材料成本低、重量轻、工艺可制造且成本低，利用平板微热管阵列的优良导热性能发挥出上述优势，弥补铝材相对于铜等材料导热系数低的缺点。2)通过实验研究，双模块翅片-平板微热管阵列一体化CPU散热装置可以有效解决机箱有限空间内且散热功率在85～130W的CPU散热问题。3)探究针对多翅片复杂装置全局建模部分简化的建模方法，研究了翅片结构参数对散热效果及流动阻力的影响规律。

作者：

续玥榕

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关键词：

CPU风冷散热装置平板微热管阵列散热片挤压工艺

授予学位：

硕士

学科专业：

建筑与土木工程

导师：

樊洪明

学位年度：

2020

学位授予单位：

北京工业大学

语种：

中文

中图分类号：