随着电子工业和计算机技术的发展,中央处理器(CPU)的运算速度提高,体积越来越小,芯片的发热量猛增到70～80 W,电子设备的失效55％是由于过热所致,导致CPU功耗的增大和积聚的热量急剧增加,严重影响CPU的正常工作.提高CPU散热片的散热性能已经成为电子制造领域中急需解决的关键问题之一^[1],也是现在炙手可热的研究对象,仅依靠先进的工艺带来的发热量下降则显得杯水车薪.

针对CPU的散热问题,本文主要研究直板式散热片的散热规律,通过改变散热片的结构(齿厚、齿高、齿间距和底板厚度),以Ansys软件为载体,用数值模拟的方法研究不同情况下散热片的散热效果,通过正交试验进行极差和误差分析得出最优方案.

本文通过改变直板式电脑散热片齿厚、齿高、齿间距和底板厚度等四个结构参数,并将其作为正交试验的四个因素,每个因素取四种水平.综合分析,不考虑交互作用,采用正交表L16来安排试验,利用Proe分别建立实体模型,导入到Ansys中进行数值模拟分析.根据试验结果,得出散热片底板的最低温度,然后与底板初始温度做差值,便可以认为是散热导致的温度差.通过对正交试验结果的分析,找出各结构因素对电脑散热片换热强弱影响的主次关系,从而找出最佳散热效果时的结构参数值,完成对散热片结构的优化.

Proe是一款三维软件,该软件具有强大的数学建模功能,并且能以IGS的格式保存,IGS格式的三维图可以直接导入Ansys软件中进行模拟.Proe三维模型图建立流程见图 1.

图1

图 1模型建立流程 Fig. 1 Modeling process

通过以上过程绘制的三维Proe模型,见图 2.散热基底尺寸为70 mm×2 mm×70 mm;翅片分三段式尺寸为20 mm×0.5 mm×40 mm,模拟流程见图 3.

图2

图 2绘制的三维Proe模型 Fig. 2 Three-dimensional model

图3

图 3模拟流程 Fig. 3 Simulation process

在设计的模型中,为了研究方便,简化计算模型.假定电脑片在散热过程中,空气流体的物性参数为常值(即理想不带风扇的电脑散热片),散热片的材料是6063铝合金,假设散热片放在均匀加热的金属板上,金属板的恒定加热温度为50 ℃.采用自然对流,环境初始温度设为20 ℃,对流体热系数为70 W/(m²·℃),基底与散热翅片采用爆破焊接工艺连接,CPU直接接触的散热器底面采用恒定的热流量密度边界条件,与空气进行对流换热的两侧壁面采用固体区域和流体区域耦合传热.采用标准k-ε湍流模型计算^[3].散热片的物性参数及载荷边界条件见表 1和表 2.

表 1

表 1 6063铝合金散热片的物性参数 Tab.1 Physical parameters of 6063 aluminum alloy heat sink 比热容/ (J·kg-1·K-1) 导热系数/ (W·m-1·K-1) 密度/ (kg·m-3) 880 237 2 700

表 16063铝合金散热片的物性参数 Tab.1Physical parameters of 6063 aluminum alloy heat sink

表 2

表 2 散热器的边界条件 Tab.2 Boundary conditions of the radiator 对流传热系数/(W·m-2·℃-1) 初始温度/℃ 对流方式 70 20 自然对流

表 2 散热器的边界条件 Tab.2 Boundary conditions of the radiator

在Ansys/Preprocessor前处理器参数定义中,Preferences菜单中勾选Thermal(热处理),并在Preprocessor/Element Type中添加Solid/Tet 10node 87型单元,最后分析类型为Steady-state.

使用Ansys中Meshing(网格)功能中的Meshing tool,对3D实体模型自由划分网格.在网格划分器的“Smart Size”中设定网格密度为6.与Solid/Tet 10node 87单元相对应,选择网格形状,在网格(Mash)划分模块中选择“Volumes”,在形状(Shap)中选择四面体“Tet”.网格划分结果见图 4.

图4

图 4网格划分模型 Fig. 4 Model meshing

2.1 Ansys数值模拟结果分析

图 5和图 6为模型A1B4C4D4的分析图.图 5为电脑散热片上温度分布云图,反映了换热过程中其温度的分布情况.图 6以数值曲线图的形式表示出了其换热过程中温度从底板到齿顶温度的变化情况.从温度分布云图中不难看出,沿齿的方向,温度依次降低,且降低趋势依次减弱;从数值曲线可以得到,温度的变化趋势整体以直线的形式降低,故散热比较均匀.

图5

图 5电脑散热片上温度分布云图 Fig. 5Temperature distribution on computer heat sink

图6

图 6底板至齿顶温度分布 Fig. 6Temperature distribution from floor to tip

为了获得较佳的优化组以及影响趋势图,进行了正交试验设计^[9].表 3为因素和水平表.在上述方法中,分别得出各试验组中底板的最低温度,计算出底板最低温度与金属板初始加热温度50 ℃的温差.

表 3

表 3 因素和水平表 Tab.3 Effects of factors on different levels 水平 因素 齿高 (B)/mm 齿厚 (A)/mm 齿间距 (C)/mm 底板厚度 (D)/mm 1 40 0.5 1.0 2.0 2 45 1.0 1.5 2.5 3 50 1.5 2.0 3.0 4 55 3.0 3.0 3.3

表 3 因素和水平表 Tab.3 Effects of factors on different levels

根据计算结果,表 4给出了试验方案及结果分析.温差反映的是散热片的综合散热性能,其值越大,散热效果越好.这四个因素的极差用R表

表 4

表 4 试验方案及结果分析 试验编号 A B C 空列 D 温差 1 1 1 1 1 1 2.15 2 1 2 2 2 2 1.30 3 1 3 3 3 3 1.03 4 1 4 4 4 4 0.73 5 2 1 2 3 4 3.31 6 2 2 1 4 3 2.00 7 2 3 4 1 2 1.37 8 2 4 3 2 1 0.89 9 3 1 3 4 2 3.90 10 3 2 4 3 1 2.40 11 3 3 1 2 4 2.18 12 3 4 2 1 3 7.70 13 4 1 4 2 3 1.20 14 4 2 3 1 4 5.30 15 4 3 2 4 1 3.90 16 4 4 1 3 2 2.79 K1 5.21 10.56 9.12 16.52 9.34 K2 7.57 11.00 16.21 5.57 9.36 K3 16.18 8.48 11.12 9.53 11.93 K4 13.19 12.11 5.70 10.53 11.52 k1 1.30 2.64 2.28 4.13 2.33 k2 1.89 2.75 4.03 1.39 2.34 k3 4.05 2.12 2.78 2.38 3.1 k4 3.30 3.03 1.43 2.63 2.88 极差R 10.97 3.63 10.51 10.95 2.59 因素主次 A C B D 优化方案 A3B4C2D3

表 4 试验方案及结果分析 Tab.4Test plan and result analysis

图7～图10是由正交试验得出的趋势图,反映了因素与指标间的变化趋势,更直观地表征了各因素对散热效果的影响规律.结合表 3、表 4的结果,初步确定优化方案为A₃B₄C₂D3,即电脑散热片的齿高为55 mm,齿厚为1.5 mm,齿间距为1.5 mm,底板厚度为3 mm.

图7

图 7齿厚与温差趋势图 Fig. 7 Relationship between tooth thickness and temperature difference

图8

图 8齿间距与温差趋势图 Fig. 8 Relationship between tooth spacing and temperature difference

图9

图 9底板厚度与温差趋势图 Fig. 9 Relationship between tooth plate thickness and temperature difference

图10

图 10齿高与温差趋势图 Fig. 10 Relationship between tooth height and temperature difference

(1) 对于综合散热片散热效果性能的评价指标,散热片的齿厚以及齿间距对其散热效果影响最大,其次是齿高,底板厚度较次之.

(2) 其他参数不变时,齿厚在0.5～1.5 mm内,随着齿厚的增加,散热效果增强,齿厚超过1.5 mm散热效果减弱;齿间距在1.0～1.5 mm内,随着齿间距的增加,散热效果增强,齿间距超过1.5 mm散热效果减弱;随着齿高的增加,散热效果呈现增强趋势;底板厚度在2～3 mm内,随着厚度的增加散热效果增强,当超过3 mm时散热效果呈下降趋势.

(3) 通过对正交试验结果的分析,得到了最终的优化方案为A3B4C2D3,即电脑散热片的齿高为55 mm,齿厚为1.5 mm,齿间距为1.5 mm,底板厚度为3 mm.