器件相变冷却结构优化与特性模拟;热能与动力工程

安徽工业大学毕业设计（论文）说明书第I页┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊装┊┊┊┊┊订┊┊┊┊┊线┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊高热流密度电子器件相变冷却结构优化与特性模拟热能与动力工程专业许杨杨(069014098)指导教师:刘小芳讲师摘要随着电子器件的小型化、封装密集化、多功能化，散热问题已成为制约电子技术发展的主要因素之一，高热流密度电子器件散热技术的研究日益重要。本文首先对电子器件散热技术的国内外研究和发展现状进行了综述，并着重介绍一些新型散热技术。在此基础上详细介绍了热管的结构、工作原理等基本知识，运用相变冷却方法中的热管技术来冷却高热流密度电子器件，并对其进行了结构优化和特性模拟。文中待冷却的电子元件的尺寸为10×10×0.5mm3，释放的热流密度为50W/cm2。为确保其正常稳定的工作，希望其在环境温度为20℃时的表面温度不高于55℃。设计出能够满足工作要求的小型热管，并编写了用于热管结构设计的VB程序。在热管设计的基础上，在GAMBIT中建立计算模型，通过对模型的简化，应用FLUENT软件，对不同发热功率（50W、75W、100W、125W、150W）下热管蒸发段发热元件与接触块接触处和不同风速（1.0m/s、1.5m/s、2.0m/s、2.5m/s、3.0m/s）下热管冷凝段翅片散热分别进行了数值模拟，给出了模拟的结果，对模拟结果进行分析，并与其他文献进行了比较。通过数值模拟验证了热管设计的合理性，并得到热管用于电子器件散热的传热规律。对热管冷凝段翅片散热从不同长宽比（2.25∶1、3∶1、4∶1）、不同翅片间距（0.4mm、0.6mm、0.8mm、1.0mm、1.2mm）、不同热管偏心距（5mm、6mm、7mm、8mm、9mm）三个方面进行了结构优化，并得出相应的最优化方案。关键词电子散热热管设计特性模拟结构优化安徽工业大学毕业设计（论文）说明书第II页┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊装┊┊┊┊┊订┊┊┊┊┊线┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊ABSTRACTWiththeminiaturization，packagingintensificationandmulti-functionofelectroniccomponents，theproblemofheatdissipationhasbecomeoneofthemajorfactorsthatrestrictsthedevelopmentofelectronictechnology，theresearchonheatdissipationofhighheatfluxelectroniccomponentsbecomeincreasinglyimportant．Thepaperfirstreviewsresearchesathomeandabroadandthecurrentdevelopmentoftheheatdissipationtechnologyofelectroniccomponents，andthencentersonsomenewtechnologiesofheatdissipation．Thestructureandoperationalprinciplesofheatpipeareintroducedindetailonthisbasis．Theheatpipetechnologyofphasetransitionisusedtocoolhighheatfluxelectroniccomponents，andstructureoptimizationandcharacteristicsimulationofthetechnologywerecarriedout．Thesizeofelectroniccomponentsinthispaperis10×10×0.5mm3withaheatfluxof50W/cm2．Itssurfacetemperatureisexpectedtobelowerthan55℃withtheambienttemperatureof20℃inordertoensureitsnormaloperation．Asmall-sizedheatpipehasbeendesignedtomeetthedemandandaVBprogramhasbeencompiledforthestructuredesignoftheheatpipe．Onthebasisofheatpipedesign，calculationmodelsareestablishedinGAMBIT．ThroughsimplifyingmodelsandapplyingtheFLUENTsoftware，numericalsimulationareconductedoverwheretheheatingelementsattheevaporationsectionoftheheatpipemeetthecontactblockatdifferentheatingpower（50W，75W，100W，125Wor150W）andtheheatdissipationofthefinatthecondensationsectionoftheheatpipeatdifferentwindspeed（1.0m/s，1.5m/s，2.0m/s，2.5m/sor3.0m/s）．Resultsaregivenandanalysisisconductedoverthemandthencomparedwithotherdocuments．Rationalityofheatpipedesignisvalidatedbynumericalsimulationandtheheattransferlawofheatpipeforcoolingelectroniccomponentsisobtained．Fortheheatdissipationofthefinsatthecondensationsectionoftheheatpipe，structureoptimizationisconductedonthethreeaspectsofdifferentlength-widthratio，differentspacebetweenfins，anddifferentoffsetdistance，andacorrespondingoptimizationschemeisobtained．KeyWordselectroniccooling，heatpipedesign，characteristicsimulation，structureoptimization安徽工业大学毕业设计（论文）说明书共116页第1页┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊装┊┊┊┊┊订┊┊┊┊┊线┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊1.绪论1.1引言信息时代的科技进步和社会发展与电子器件的小型化、封装密集化、多功能化是息息相关的。正如现今的笔记本电脑越来越薄，已成为商品并投入使用的最薄的笔记本电脑厚度不足2cm，重量仅为1.36kg，且其性能并不比一般的笔记本电脑甚至台式电脑逊色。电子及相关产业的发展有两大趋势，一是追求小型化和集成化，二是追求高频率和高运算速度。电子技术的快速发展，电子器件的高频、高速以及集成电路的密集和小型化，使得单位容积电子器件的总功率密度和发热量大幅度地增长。特别是由于MEMS（微电子机械系统）技术的突飞猛进，使得电子元器件的尺寸越来越小，已经从微米量级进入到了亚微米量级甚至是纳米级。尽管随着器件或系统尺寸的减小，消耗功率也会有所减小，但为了完成一定的任务，可减小的余地非常有限，这样就不可避免地使芯片的热流密度迅速提高。例如：CPU芯片的发热量已由几年前的10W增加到当前的70～80W，甚至超过100W，其透过散热器基板传导的热流密度高达104W/m2～105W/m2，并有继续增加的趋势。下图是近几年及今后几年CPU芯片的预计发热量[1]。图1-1CPU芯片发热量据统计，55％的电子设备失效是由温度过高引起的，电子元器件的失效率与其结温成指数关系，性能则随结温升高而降低。电子器件工作的可靠性对温度十分敏感，器件温度在70℃～80℃水平上每增加1℃，可靠性就会下降5%[1]。器件的工作温度每升高10℃，其失效率增加1倍[2]。如果散热通道良好，元件的温度就会控制在一定范围内，达到稳态平衡点，而且温度保持稳定；若散热路径不畅通，电子元件的温度安徽工业大学毕业设计（论文）说明书共116页第2页┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊装┊┊┊┊┊订┊┊┊┊┊线┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊可能超过其规定的工作温度范围，引起元件损坏。所以对电子设备进行有效的散热是提高其可靠稳定性的关键所在，有效的散热技术已经成为制约电子器件进一步发展的瓶颈。国内外对于电子器件的散热冷却问题的研究从未间断，理论上的研究工作推动了实践的发展，许多有效的散热冷却技术已经应用于工程的生产实践中，极大地推动了电子器件设备的发展。本文就目前广泛应用的散热冷却方式作详细的论述，并着重介绍一些新型散热技术，同时，引入国内外对相关散热技术的研究成果及研究动态，希望能对以后在此领域的研究工作提供借鉴。1.2散热冷却技术目前已经应用的有效的冷却技术有很多种，表1-1[3]总结了现有冷却技术及对应热负荷能力的情况。表1-1现有冷却技术及对应热负荷能力类型热负荷能力/W/cm2温升/℃备注单相液冷50-100大两相液冷100大微通道液冷1000大毛细泵热管5-10大浸润式池沸腾20大过冷流动沸腾500大喷雾冷却压力雾化喷嘴100060水，26.5L/h蒸汽雾化喷嘴13005水，5.7L/h300小R72射流冲击沸腾普通表面100-300小微尺度表面500小半导体制冷1热电离子冷却100热管25-100大微热管回路50大热泵---小目前国内外高热流密度电子器件的冷却方法主要有空冷、液冷、喷雾冷却、热管冷却、热电冷却、射流冲击沸腾冷却、微通道冷却等，根据有无相变可将这些冷却方安徽工业大学毕业设计（论文）说明书共116页第3页┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊装┊┊┊┊┊订┊┊┊┊┊线┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊式分为如下两大类：非相变冷却和相变冷却。1.2.1非相变冷却非相变的冷却方式主要有：自然冷却、强制空冷、单相液冷、热电冷却、热隔离技术、热泵技术等。非相变冷却一般原理简单，主要是根据传热学原理，通过导热、对流、辐射的方式进行热量传递。装置的结构简单，但传热系数要低于相变冷却方式。1.2.1.1自然冷却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。自然散热或冷却往往适用对温度控制要求不高、器件发热的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3～10W/m2·K范围，一般应用在热流密度较小的设备中，即热流密度不超过0.08W/cm2。这种冷却方式的优点是结构简单，成本低而且可靠；无需泵或风机，也就没有噪声和震动。缺点是热阻大，传热性能差。在热设计中应尽量减小各接触面的热阻，改善自然风道，增大散热面积和辐射面。1.2.1.2强制空冷当电子设备的热流密度超过0.8W/cm2时自然冷却已经不能解决它的冷却问题。强迫空气冷却由于设计简单、使用方便以及成本低等优点得到了充分的发展。强制散热或冷却方法主要是借助于风扇等，强迫电子器件周边的空气流动，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。如果部件内元器件之间的空间适合空气流动或适于安装局部散热器，就可尽量使用这种冷却方法。传热性能比自然对流提高5～12倍。但是由于空气比热容小，风速受到噪音的限制又不能太大，因此空气冷却的冷却能力一般不超过1.0W/cm2。且需要增加泵或风机，成本增加，噪声变大，运行可靠性低。提高这种强制对流传热能力的方法[4]主要有：增大散热面积（