计算机 CPU 冷却用U型热管散热器散热性能实验研究及数值模拟[硕论]

摘要：

随着 5G 电信技术和大规模计算中心的快速发展，微处理器(CPU)及相关设备的热管理 仍面临着前所未有的机遇和挑战。为了解决当前电子设备中芯片所面临的高通热量的迫切 需求，确保其在正常的温度范围内工作，开发了一种独特且可靠的带有双 U 型热管的散热 器，并通过实验测试了将其应用在计算机 CPU 的冷却效果。这种散热器使用了烧结的毛细 铜芯结构，工质冷凝后依靠重力辅助作用回流到蒸发区域。该散热器具有结构简单，便于 加工、稳定性好、可靠性高等特点，是解决高热流量电子芯片散热的重要方法之一。 该新型散热器由风冷翅片叠层和嵌入底板且穿过翅片叠层的两个 U 形热管组成。在这 项工作中，搭建了一个研究热管散热器传热特性的实验装置。考虑了相关参数包括散热器 的方向，计算机的工作条件（风速和环境温度）对 CPU 表面的中心温度和散热器整体热阻 的影响。此外，利用专业的热分析软件 ICEPAK 对所设计的 U 型热管散热器进行简化建模； 确定了模型的边界条件、物性参数以及控制方程等，结合实验测试结果着重分析了热管的 工作情况。对新型热管散热器与传统的用于 CPU 冷却的翅片式散热器的整体热阻进行了比 较。 测试结果表明，当散热器被安装在正 U 向（α = 90°）时，散热器的总热阻低于其他五 个方向情况下的总热阻，并达到 0.263 ℃/W 的最小值。如果将 CPU 的工作温度限制在 70℃ 以下，则散热器的最大散热功率将达到 130 W。其原因是重力对该热管散热器的散热能力 有重要的影响：当散热器被布置在正 U 方向时，重力作用最大程度地辅助热管内部的工作 流体返回到热源区域，此时散热器显示出了最大的传热能力和最低的热阻。与此同时，可 以清晰的看出散热器的安装方向和工作条件会对其冷却能力产生重要的影响，从而导致散 热器整体热阻发生变化。此外，通过实验和数值模拟对新型热管散热器与传统的用于 CPU 冷却的翅片式散热器的整体热阻进行比较，结果表明这种新型的热管散热器的热性能不但 和普通的翅片式散热器不同，而且和仅通过热管传热的散热器有较大的差别，显示出了较 高的可靠性。

目录：

摘 要...........................................................................................................................................I

Abstract ............................................................................................................................................II

1 引 言............................................................................................................................................ 1

1.1 研究背景及意义.............................................................................................................. 1

1.2 CPU 散热技术的研究进展.............................................................................................. 2

1.2.1 风冷散热方式........................................................................................................ 3

1.2.2 液冷散热方式........................................................................................................ 5

1.2.3 热电制冷................................................................................................................ 9

1.2.4 热管式散热.......................................................................................................... 11

1.3 CPU 热管散热技术的研究进展................................................................................... 12

1.4 本课题的研究内容........................................................................................................ 14

1.4.1 研究目的.............................................................................................................. 14

1.4.2 研究内容.............................................................................................................. 14

1.4.3 创新点.................................................................................................................. 15

1.5 本章小结......................................................................................................................... 15

2 热管散热器的设计与实验测试.............................................................................................. 16

2.1 热管散热器的设计........................................................................................................ 16

2.1.1 热管的分段设计以及物性参数......................................................................... 16

2.1.2 热管散热器.......................................................................................................... 17

2.2 实验测试系统及实验步骤............................................................................................ 18

2.2.1 实验测试平台设计............................................................................................. 18

2.2.2 实验步骤.............................................................................................................. 20

2.3 本章小结......................................................................................................................... 24

3 热管散热器的性能分析 .......................................................................................................... 25

3.1 散热器的热阻分析........................................................................................................ 25

3.2 误差分析......................................................................................................................... 27

3.3 实验结果与讨论............................................................................................................ 27

3.3.1 重复性试验.......................................................................................................... 27

3.3.2 环境温度的影响.................................................................................................. 28

3.3.3 风速的影响.......................................................................................................... 30

3.3.4 放置角度的影响.................................................................................................. 31

3.4 本章小结......................................................................................................................... 32

4 热管散热器的数值模拟 ........................................................................................................... 34

4.1Icepak 软件简介............................................................................................................... 34

4.1.1 Icepak 的技术特点............................................................................................... 34

4.1.2 使用 ANSYS Icepak 求解分析流程 ................................................................. 36

4.2 散热器的数值模拟........................................................................................................ 36

4.2.1 建立模型.............................................................................................................. 36

4.2.2 初始化条件及边界条件..................................................................................... 38

4.2.3 控制方程.............................................................................................................. 39

4.2.4 计算结果与分析.................................................................................................. 39

4.3 本章小结......................................................................................................................... 41

结 论........................................................................................................................................ 42

主要符号表................................................................................................................................... 43

参考文献........................................................................................................................................ 44

在学研究成果............................................................................................................................... 53

致 谢........................................................................................................................................ 54

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