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1、狭小空间散热元件结构优化研究毕业论文目 录摘 要IAbstractII目 录I第一章 绪 论- 1 -1.1 研究背景和意义- 1 -1.2 电子元件散热结构优化研究的发展现状及应用- 1 -1.2.1 电子元件散热结构优化研究的发展现状- 1 -1.2.2 散热元件的应用- 4 -1.3 论文研究方案与新颖性- 5 -第二章 CFD及FLUENT简介- 6 -2.1 CFD 简介- 6 -2.2 FLUENT 简介- 6 -2.3 湍流及其数学描述- 8 -2.4 湍流模型介绍- 10 -2.4.1 Spalart-Allmaras 模型- 13 -2.4.2 标准 k - 湍流模型- 13
2、 -2.4.3 修正 k - 湍流模型- 15 -第三章 矩形肋CPU散热器换热性能数值分析- 16 -3.1 模型及几何参数- 16 -3.2 Gambit 建模过程- 18 -3.3 求解器的选择- 19 -3.4 操作环境的确定- 19 -3.5 边界条件- 19 -3.6 计算结果与分析- 19 -3.6.1 肋片效率与总散热量- 20 -3.6.2不同肋厚的比较- 21 -3.6.3 不同肋高的比较- 22 -3.6.4 不同肋间距的比较- 24 -3.7 风阻计算- 25 -3.7.1 雷诺数计算- 25 -3.7.2 风道阻力计算- 25 -3.8 本章小结- 27 -第四章 三
3、角肋CPU散热器换热性能数值分析- 28 -4.1概述- 28 -4.2几何模型及计算单元网格- 28 -4.3 模拟结果与分析- 29 -4.3.1 不同肋厚的比较- 29 -4.3.2 不同肋高的比较- 30 -4.3.3 不同肋间距的比较- 32 -4.4 等截面直肋与三角肋比较分析- 33 -结 论- 35 -致 谢- 36 -参考文献- 37 - .专业.专注. 第一章 绪 论1.1 研究背景和意义 近年来微电子工业迅猛发展, 电子器件的微型化已经成为现代电子设备发展的主流趋势。微电子技术的发展趋势随着电子计算机容量和速度的快速发展以及导弹、卫星和军用雷达对高性能模块和大功率器件的要
4、求, 呈现两大趋势: 一是追求小型化和集成化, 二是追求高频率和高运算速度, 这样使得单位芯片的热流密度迅速升高。如计算机CPU 芯片在运行过程中产生的热流密度已达到60100W /, 半导体激光器中甚至达到W / 数量级。而电子器件正常的工作温度围为- 565 , 最大允许工作温度100120 , 过高的温度会危及半导体的结点, 损伤电路的连接界面, 增加导体的阻值和形成机械应力损伤。研究表明: 电子元件的温度在正常工作温度水平上降低1, 其故障可减少4% ; 若增加1020 , 则故障率提高100% 。据统计, 电子设备的失效率有55%是温度超过规定值引起的。由此可见, 电子散热问题已成为
5、制约电子工业发展的瓶颈, 而高效的电子散热技术已成为一个研究热点。高效电子散热与传热学, 流体力学等原理的应用密切相关, 其目的是对电子设备的运行温度进行有效地控制, 以保证其工作的稳定性和可靠性。CPU 功率的不断提升导致了更多热量的产生，为了在有限的散热空间仍能使 CPU 正常运行，必须提高散热片的散热性能。从理论计算出发，通过散热片的总散热效率与总散热量设计散热片结构。运用 CFD 软件 Fluent 进行散热模拟，验证理论计算的结果。对散热片进行砂型铸造工艺设计，并用铸造模拟软件 ProCAST进行模拟分析，优化铸造工艺并指导生产试验。模拟为散热片设计及生产提供了一个理论参考依据。通过
6、该方法可以在散热片模具开发前，在满足散热性能的前题下使散热片尺寸合理，减少了试验次数，降低实验成本和模具更改造成的浪费，节省了研制成本，对实际生产起到了重要的指导作用。1.2 电子元件散热结构优化研究的发展现状及应用1.2.1 电子元件散热结构优化研究的发展现状自 1925 年人们研究变压器的冷却开始，热设计作为实现技术之一就伴随着电力电子技术的进步而不断发展。从真空管、行波管到晶体管，从移动、服务器到巨型计算机，设计制造商都不得不面对其产品的冷却问题，只是各个系统的冷却需求不同，其热设计难度各异。电子元器件的热设计包括选择合适的冷却方式，布置冷却剂流型、方向以及排列封装的电子部件等。比较成熟
7、的冷却方式主要有：自然冷却技术；强迫空冷技术；液体冷却技术；相变冷却技术；其他冷却技术。（1） 自然冷却技术自然冷却方法是指不使用任何外部辅助能量的情况下，实现局部发热元器件向周围环境散热达到温度控制的目的，这其中通常都包含了导热、对流和辐射三种主要传热方式，其中对流以自然对流方式为主。自然冷却往往适用于对温度控制要求不高、热流密度不大的低功耗器件和部件，以及密封或密集组装的器件不宜(或不需要)采用其它冷却技术的情况下。通常自然冷却的换热系数在 310W/( )围，一般应用在热流密度较小的设备中，即热流密度不超过 0.8W/c。（2） 强迫空冷技术强迫空冷主要是借助于外界动力设备强迫器件周边空
8、气流动，从而将器件散发出的热量带走的一种方法。这种方法是一种操作简便、收效明显的散热方法。如果部件元器件之间的空间适合空气流动或适合安装局部散热器，就可尽量使用这种冷却方法。提高这种强迫对流传热能力的方法主要有:增大散热面积(散热片)；散热表面产生比较大的强迫对流传热系数(紊流器、喷射冲击、静电作用)。增大散热器表面的散热面积来增强电子元器件的散热，在实际工程中得到了非常广泛的应用，主要是采用肋片(又称翅片)来扩展散热器表面的散热面积以达到强化传热的目的。针对增强对流传热系数，乔治亚理工大学封装研究中心所研究的微喷流技术，它是风冷技术的重大进展，能使风冷能力超过 10 W/c，专门为冷却单芯片
9、和多芯片组件而研制；另一个重大改进是空气射流冷却技术，射流冷却时流体沿芯片法向冲击传热表面，冲击处的速度和温度边界层很薄，因而具有很高的传热率。据文献10报道，采用这种技术的器件，芯片的热流密度可以达到 100W/c，射流冷却已经成为微电子冷却的先进技术。（3）液体冷却技术对电子元器件采用液体冷却的方法进行散热，主要是针对芯片或芯片组件提出的概念。液体冷却包括直接冷却和间接冷却。间接液体冷却法就是液体冷却剂不与电子元件直接接触，而热量经中间媒介或系统(一般是液体冷板及其辅助装置，如液冷模块(LCM)、导热模块(TCM)、喷射液冷模块（CCM）、液冷基板(LCS)等等)从发热元件传递给液体。直接
10、液体冷却法 (又称浸入冷却)是指液体与电子元件直接接触，由冷却剂吸热并将热量带走，它适用于热流密度大且必须在高温环境下工作的部件。直接液冷的实验效果可以达到 800W/c。（4）相变冷却技术该技术是利用制冷剂发生相变时大量吸收热量的特性，在特定场合下对电子元器件进行冷却。一般所说的相变冷却主要是指制冷剂蒸发从环境吸热，其包括两种情况：容积沸腾(静止液体沸腾，又叫池沸腾)和流动沸腾。IBM 公司曾研制出采用浸渍式池状沸腾冷却方案的液体封装组件(LEM)，它的换热系数可高达 17005700W/（K）。然而，对于相变冷却的应用，还有一些技术问题尚待解决，特别是流动沸腾。在某些情况下，深冷技术也在电
11、子元器件冷却方面发挥了重要的作用，如 ETA 大型计算机就使用了深冷技术。对于某些大功率巨型计算机系统，其芯片的冷却也可以采用了循环效率较高的蒸汽压缩式制冷装置，这种方法的优点是制冷量及制冷温度围方面均比较宽广，机器设备结构紧凑，循环效率高。（5）其他冷却技术电子设备的微型化及特殊用途有时要求使用一些特殊的冷却方式，其中研究较多的有热管传热冷却，热虹吸管传热冷却，毛细管抽气环(CPL) 冷却及热电制冷等。1）热管冷却热管技术具有极高的导热性、优良的等温性、热流密度可变性、热流方向的可逆性、环境的适应性等优良特点，可以满足电子电器设备对散热装置紧凑、可靠、控制灵活、高散热效率、不需要维修等要求。
12、因此，热管技术已在电气设备散热、电子器件冷却、半导体元件以及大规模集成电路板的散热方面取得很多应用成果。随着高热流密度散热冷却要求的提出，热管式冷板得到大家的广泛关注和重视，其应用基础研究目前集中在它的性能试验与数值模拟分析方面，但总的说来这方面的研究文献还很少，这方面工作最为突出的是 Y.Wang 和 K.Vafai 等人针对一种平板热管及变化结构进行了详细的理论分析和试验研究，通过试验表明它能够适应 10150 W/cm高热流密度的工况，进一步通过数值模拟建立了平板热管的启动和关闭时的数学模型，分析求解了平板热管的启动和关闭的瞬态温度场分布性能，发现热流密度大小、壁面、毛细芯厚度和热输入形
13、式是影响热管稳定工作时间的主要因素。国研究人员也对平板热管进行了研究和试验，菊香的研究得出热管式均热平板在厚度方向上布置的圆孔通道孔径和孔间距越小，工作表面上的最大温差就越小。2）热电制冷热电制冷是建立在帕尔贴效应基础上的一种电制冷方法。它的优点是无噪声和震动、体积小、结构紧凑、操作维护方便、不需要制冷剂、制冷量和制冷速度可通过改变电流大小来调节。它在恒温和功率密度大的系统中得到了广泛应用，同时还可以用来冷却低温超导电子器件。克服这种制冷器冷量小和制冷系数低的不足，提高能效比及其经济性，是热电制冷设计和使用的关键。通过对以上散热方式的比较可以得知，风冷散热是现在最为常见且使用率最高也是最成熟的
14、方法的一种散热方式，这种散热方式简单、直接、性能可靠、技术成熟、成本最低，可以解决我们通常的散热需要，因而被普遍使用。风冷散热是目前给CPU散热的主要方式。采用风扇和散热器组件的空气强迫对流冷却方式被广泛使用，这个领域已有相当多的研究成果，对于CPU散热器的研究更多的是关注散热片间空气的流动特性和结构尺寸对散热性能的影响。很多学者对散热肋片的传热状况进行了理论研究。他们从等截面直肋入手，分析了等截面直肋的温度分布、肋表面的散热量及其肋片效率。这些成果为形状复杂的多肋片散热器的研究提供了很好的思路。 1.2.2 散热元件的应用采用散热器的目的在于将元器件表面上散发的热量直接传导出来，然后借助热辐
15、射、自然对流或者强迫空气冷却，将热量散发至周围环境的空气中，散热器上的散热片提供了能够满足有效热耗散的散热表面积。散热器的散热片通过加工形成长长的、矩型的散热片(实芯或者中间镂空)、正交方形散热针柱、或者圆型、椭圆型散热针柱。后面三种“针柱状散热器”设计，可以允许气流从任意方向通过散热器。方型针柱状散热器在强迫空气冷却的情况下，会产生严重的紊流现象，从而会引起较大的背压。为了能够满足自然对流冷却，长长的矩形散热片散热器必须从散热片的垂直方向进行安装，以确保受热气流能够顺畅地流动。目前美国麻萨诸塞州的Wake field Engineering公司推出的一系列散热器，能够满足功率器件(诸如:TO-220和TO-218)等单个元器件的冷却。它们一般的应用围包括电源、调压器和马达控制，所用的器件耗能为5-10w，这些器件能够通过螺钉紧固件或者弹簧夹子与散热器相互联接。美国加利福尼亚州的IERC公司推出的矩型散热器采用了中间镂空的散热片，它们可以让不定向的气流流动。这种散热器能够适应于诸如Intel奔腾系列微信息处理芯片的使用，它通过手动控制夹紧装置将散热器稳固地附着在器件上面。如今在实际应用中，常常将散热器与整个风扇结合在一起使用。美国罗得艾的Chip Coolers公
