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CPU芯片熱管散熱器設計方案

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CPU芯片熱管散熱器設計方案 

 

設計的概述  

設計一個熱管之前,要針對設計熱管規格,先思考幾個問題:選擇使用工質,選擇管材,選擇毛細結構。因為這些因素決定至 後,便已經限製你設計的熱管的性能,而且這幾個因素還需要互相搭配,例如要使用水為工質時,管材的選擇就必須要與水不會發生反應的材質,另外,有些材質無法使用燒結的毛細結構來製作熱管,這都是需要事先考量的,我們在以下分說明:

選擇工質      

一般選擇熱管工質所要考慮的因素,除了熱管操作溫度範圍、高熱傳量與低熱阻,還需考量工質與管殼及毛結構的兼容性。      1.操作溫度:選擇沸點在操作溫度附近的工質才能使其順利在熱管內部進行蒸發和凝結,若操作溫度略低於工質沸點時,也可降低管內壓力使其易於蒸發。而凝固點則必須低於最低操作溫度,以防止工質凝固。考慮應用於計算機之微熱管,其操作溫度範圍約在40~100℃間,     2.熱傳量:工質的表麵張力大,在熱管內部液體流動過程中產生的毛細力便增加,有助於液體的回流;汽化潛熱大,表示單位質量吸收或釋放的熱量大,即熱傳量增加;液體黏滯係數小,在流動過程中阻力便降低,同樣有助於液體的回流。這些工質的特性,都會直接或間接影響熱管熱傳量,我們可以用Merit Number : 來表示工質傳輸特性表示工質液體傳輸能力越大,熱管的熱傳量也越大。為應用於計算機的熱管操作溫度下,可選用工質之溫度與 的關係圖。圖中可以發現水較其它適用的工質約大了一個數量級數,而Flutec PP2Flutec PP9則明顯太小而不適用。 

 

                         工質之溫度與M的關係圖 

3.熱阻:一定蒸汽壓降下,蒸汽溫差小的工質使熱管的軸向熱阻較小。其次,徑向熱阻方麵,對於本實驗操作溫度下適用的工質,導熱係數都較低,溫差主要取決於工質液體在毛細結構層中是否發生沸騰。針對本實驗使用燒結層為毛細結構時,沸騰產生的蒸汽容易受到液膜阻礙而在燒結層內增加徑向熱阻,因此應選擇較不易發生沸騰的工質。      4.管殼與毛細結構的兼容性:與管殼或毛細結構產生化學變化的工質是不能采用的。因此在選擇工質時,也應與管殼同時考量。前人針對兼容性做過許多實驗,為適合本實驗操作溫度下之工質,其與材質兼容性之試驗結果。

     管殼材料的選擇    

     一般而言,應用於計算機的熱管除了必須有足夠的熱傳量,也必須盡量降低其熱阻。因此,在選擇管壁方麵,必須選擇傳導率較高的材質,尤其對於管徑較小的熱管,管壁的傳導率往往決定了熱阻大小。基於這個因素,一般管壁可選擇無氧銅。其特性是熱傳導率高,這將更有助於達到降低熱阻的效果。此外,管壁材料的選擇還必須考慮焊接時的氣密性,擠壓性良好的無氧銅在製造上將有助於保持內部低壓的狀態。最後,燒結時爐內部通氫氣,無氧銅在這種還原氣氛中,即使加熱至高溫亦不至於引起氫脆化現象。 5.4 毛細結構之選擇      在毛細結構選擇方麵,一般較小尺寸的熱管通常考慮使用單一結構,包括溝槽式、網目式及燒結式。本論文之所以選擇燒結式,是因為燒結所產生的有效毛細半徑很小,毛細力遠大過於溝槽所產生的毛細力;而熱阻方麵,相較於網目式貼附於管壁不易緊密的缺點,燒結式熱管所產生的熱阻較網目式更低。 熱管之設計規格      我們以圖的熱管規格為例,其相關的參數表中所示。

 

       為了製作適用於計算機內部的熱管規格,管徑不宜過大;而過小的管徑也會造成熱傳量大幅降低,無法合乎要求。根據目前計算機尺寸的設計,熱管管徑在內部僅能占約3mm,因此在有限的外徑下,增加管內徑將有助於熱傳量的提升。但在減少管壁厚度的同時,必須考慮到熱管在操作時必須承受約一大氣壓的壓力差,管壁過薄將使結構上向內變形。對於純銅的圓管在100℃時,平

均直徑與管壁厚度的比值必須小於79。若平均直徑為3mm,則管壁必須大於0.038mm。因此,本實驗在管壁設計上並不太需要考慮這個問題,反而是抽製銅管時,一般能抽到最薄的程度是多少。目前市麵上常見到的熱管,管壁大約都在0.3mm,故本實驗選取無氧銅管C1020T,外徑3mm,壁厚0.3mm,長度200mm。特別一提的是,熱管長度的設計上,隨計算機廠商設計熱模塊型式的不同而有不同的需求長度,在實驗中訂定200mm是考慮其為較一般使用的長度。  燒結層方麵的尺寸設計,主要根據理論分析而來。燒結層會影響熱管性能的因素主要包括燒結層厚度、孔隙度與粉末粒徑。設計上,我們隻能決定燒結層厚度與粉末粒徑,而孔隙度在實驗上目前是無法控製的變因,僅能在燒結後將其量測出來。      一般而言,熱管在計算機的熱模塊上,熱阻遠比其它接觸麵產生的熱阻要小很多,一味降低熱管的熱阻對於最後熱模塊合計產生的熱阻幾乎沒有多大作用,因此這部分設計上還是盡量隻考慮熱傳量的因素。視密度較低的粉末意味著當自然填粉時,造成的空孔較多,燒結後的孔隙度也較大。一般而言,電解粉較球狀粉末有較低的視密度,故選擇粉末時采用電解針狀粉。因為本實驗在填粉過程中是采用讓粉末自然堆積的方式,一旦形狀選擇後,孔隙度就大致決定了,而能再改變最大熱傳量及熱阻的因素就隻剩燒結層厚度及粉末粒徑。由於使用針狀粉末堆積,在計算時與球狀堆積結果會有不同,但趨勢則大致是相同的。

          熱管介質的選取

熱管工作流體 工作流體的選擇  

熱管是靠殼體內工作流體的相變和流動過程中質量的轉移傳送熱量的。工作流體的各種性能對熱管工作特性有重要的影響。工作流體的選擇除考慮工作溫度適應範圍外,還應考慮的問題是工質與熱管材質間的相容性及工質的熱穩定性  工質與材質之間一旦不相容將導致熱管的性能壞或失效,要求工質在工作溫度範圍內不變質、發生化學反應和分解反應,不產生不凝結氣體和錠物等。由於低溫熱管在常溫下處於超臨界狀態,求熱管材質必須能夠承受足夠的內壓力,一般低溫熱管都是采用不鏽鋼ICrl8Ni9Ti。這種材料能夠滿低溫熱管需要承受的壓力(除了氫氣能使不鏽鋼生氫脆現象外),是一種普遍使用的熱管材質。

 工質的物性 

熱管的毛細極限傳熱量是隨工質的品質因數N(N=ρ ισr /μτ)增大而增大 的,該因數是反映工質性對熱管軸向傳熱能力的影響。因此,要求工質汽化潛熱和表麵張力要大,粘度要低,潤濕性能好,從而使工質的品質因數N提高,並從物性上為管的優良傳熱性能提供保證。低溫熱虹吸管不含細芯結構,品質因數對熱虹吸管性能的影響沒有含吸液芯的熱管影響那麼大,但是低溫熱虹吸管選擇工質時還是應盡量選擇潛熱大、導熱係數高、濕性好的工質作為工作流體。  另外,工質的液一汽密度比值也是一個不可忽韻因素。這對熱管內部的設計帶來很大的影響,為熱管橫截麵積是由該密度比值所決定。一般來說,低溫熱管中的液體流動麵積比采用其它工質的動麵積要大。如果液膜太厚的話,由於低溫流體導熱係數很低,會大大增加熱管徑向的溫度梯度。

 安全及經濟性  

選擇工質時除考慮上述因素外,還應考慮安全性及經濟性。低溫熱管由於在常溫環境存放時其工質溫度已超過臨界點,熱管殼體內壓力很大,因此在設計熱管時可選用ρι/Mg較小的工質,以減小存放時的內壓。對於以傳熱為主的熱管,盡量不采用易燃、易爆和有毒的工質。熱管的成本也是需要考慮的重要因素。盡管熱管中所用的工質數量較少,但是由它所確定的管殼及管芯材料對熱管的成本影響很大。

熱管介質的選取對比試驗

實驗係統  實驗係統由熱水係統、測試小室真空係統、散熱器真空係統、溫度控製係統、參數測量係統等五個子係統組成。  散熱器熱媒供回水溫度由WMY-01B數字溫度計測定,流量由LZB-15浮子流量計和台秤測定,散熱器表麵溫度由銅-康銅熱電偶和UJ-36型攜帶式電位差計測定,熱虹吸散熱器內部壓力由Z-60型真空壓力表測定,另外記錄時間的秒表一支,全部測試儀器、儀表經過校定,散熱器表麵熱電偶。  本實驗選用目前普遍使用的銅製柱型散熱器為實驗對象,為了比較,同時作了常規散熱器實驗和不同工質的散熱器實驗。  熱管工質的熱物理特性對熱虹吸管的熱工性能有著關鍵性的影響,熱管是依靠工作液體的相變來傳遞熱量的,其選擇一般應考慮以下一些原則[1]  1.工作液體應適應熱管的工作溫度區,並有適當的飽和蒸汽壓; 2.工作液體與殼體、吸液芯材料應相容,且應具有良好的熱穩定性; 3.工作液體應具有良好的綜合熱物理性質,要求液體的輸運因素大; 4.其他,包括經濟性、毒性、環境汙染等。

  實驗測試方法

  每一測試周期為60分鍾,每次測試前係統熱平衡時間45分鍾。實驗過程中,為了便於與常規散熱器進行性能比較,通過調整熱媒流量的辦法使各實驗散熱器的表麵平均溫度對應熱媒進水溫度的變化基本一致;另外,對於散熱器,工質灌注量為1250ml。測試數據經過整理後,如圖所示,圖例說明中,“常規”、“水”、“R11”、“甲醇”、“丙酮”分別指常規散熱器和熱管工質相應為水、R11、甲醇、丙酮的散熱器,括號中數值為各種實驗散熱器相應的熱媒流量。

 測試結果分析

 

                表麵平均溫度隨熱煤進水溫度變化

                散熱器總散熱量隨熱媒進水溫度變化

 

 

 

                          輻射放熱百分比隨進水溫度變化

依據熱管原理,分析數據,可以得出一些具有重要工程指導意義的結論:      1.散熱器的放熱能力及常規散熱器。   對於同樣的熱媒進水溫度,熱管要達到與常規散熱器相同的表麵溫度,水、甲醇、丙酮工質熱虹吸散熱器對應的熱媒流量需要分別增大到約3.54倍、3.44倍、3.26倍;而對於R11工質熱吸散熱器,實驗中,考慮到散熱器內壓力太大,熱媒流量較小,散熱器表麵平均溫度相應較低;各種工質散熱器的散熱量明顯低於常規散熱器。

散熱器屬於“二次換熱”,總的傳熱熱阻比常規散熱器大,使得以外表麵計算的總傳熱係數下降;受結構的局限,散熱器“蒸發段”傳熱麵積遠小於“冷凝段”傳熱麵積,因而其傳熱能力主要取決於熱媒管與工質之間的熱阻。另有研究表明,強化熱媒與工質之間的換熱可以提高熱虹吸散熱器總傳熱係數30%以上。   2.吸散熱器具有與常規散熱器相反的表麵溫度均勻性特性。   常規散熱器表麵溫度不均勻,存在明顯的“熱區”和“冷區”,熱媒出口附近散熱器表麵測試溫度值明顯低於熱媒進口附近的測試溫度值,散熱器表麵溫度標準偏差數據比R11、甲醇、丙酮工質散熱器相應數值高得多,而且其數值隨著熱媒溫度的升高而加大;R11、甲醇、丙酮工質熱虹吸散熱器表現出良好的表麵溫度均勻性特性,但水工質散熱器在熱媒進水溫度低於88℃時,散熱器表麵溫度標準偏差值與常規散熱器不相上下,熱媒進水溫度88℃後,水工質散熱器表現出良好的表麵溫度均勻性;隨著熱媒進水溫度的升高,各種實驗工質散熱器的表麵溫度均勻性越顯著。   對於常規散熱器,熱媒溫度越高,進、出口端受熱不均勻越顯著,相應進、出口端散熱器表麵溫度的不均勻性也越明顯;而對於散熱器,表麵溫度不均勻是工質蒸汽不均勻分布和殘存不凝性氣體阻止蒸汽凝結放熱引起的。沿熱媒管長度方向,工質在熱媒入口端比出口端沸騰強烈,常規散熱器片式或柱式結構形式阻礙了熱虹吸工質在散熱器內部的橫向流動,導致散熱器表麵溫度的不均勻性,隨著散熱器的溫度升高,不凝性氣體的影響相對減弱,散熱器的表麵溫度均勻性進一步改善,另外,開發有利於工質蒸汽在散熱器內部均勻分布的散熱器結構形式,可進一步克服沿熱媒管方向工質不均勻受熱造成的表麵溫度不均勻現象。                                         3.適當的飽和蒸汽壓範圍是選擇熱散熱器工質的重要決定因素。 

  熱管散熱器主要依靠工作液體的相變來傳遞熱量,工作液體應具有良好的綜合熱物理性質,要求液體的輸運因素大,並有適當的飽和蒸汽壓;與經典熱管不同的是,熱熱管沒有吸液芯結構,凝結液在重力作用下回流,其最大傳熱能力主要受限於攜帶極限,而本研究中作為散熱器形式的常溫重力熱吸管,內腔相對開闊,上升蒸汽流對壁麵回流冷凝液的影響並不顯著,工作溫度區域內適當的飽和氣壓顯得更為重要。  適當的飽和蒸汽壓是熱管在通常熱媒溫度範圍內正常啟動的條件,實驗中,R11、丙酮、甲醇、水工質的熱虹吸散熱器的啟動溫度依次提高也說明了這一點;另外,過高、過低的飽和蒸汽壓,以及散熱器運行時內部大跨度的壓力變化還給工程運用帶來工藝實現上的困難;所以,水、R11不宜作為一般供暖熱散熱器工質;而甲醇、丙酮工質散熱器內的壓力則在大氣壓附近變化,是較理想的選擇。  盡管水有很高的輸運因素,測試數據表明,水工質散熱器的熱工性能並不優越,特別是熱媒流量較小或熱媒溫度較低時,傳熱量較小,散熱器在較低溫度下運行,這時飽和氣壓很低,蒸汽非常稀薄,凝結放熱量小,散熱器性能不佳。   4.殘存不凝性氣體對熱散熱器熱工性能有關鍵性不利影響。  由於工藝上的局限,散熱器內必然不同程度地殘留一定量的空氣等不凝結性氣體,對熱散熱器的熱工性能帶來不利影響,這種影響在工質飽和蒸汽壓較低時尤其顯著,也從另一個方麵說明了水不宜作為一般供暖熱管工質。  不凝結性氣體存在,導致啟動溫度上移,在熱媒溫度較低或熱媒流量不足時,散熱器不能啟動,因而不能供熱,實驗中,水工質的熱管在熱媒溫度較低時啟動困難也說明了這一點。

  由於不凝結性氣體在散熱器內壁麵形成氣膜,阻礙蒸汽的凝結放熱,導致吸效果惡化,在熱功率較小時甚至導致熱吸現象停止,散熱器性能大大降低或破壞,實驗中,水工質熱吸散熱器在熱媒溫度較低時,熱工性能並不優越也說明了這一點,但是,當熱媒進水溫度超過88℃以後,水工質散熱器熱工性能顯著改善,因為隨著散熱器的溫度升高,飽和蒸汽壓提高,不凝性氣體的影響相對減弱。   5.綜合各種實驗數據既考慮到經濟性,選取常見的甲醇作為熱管的傳導介質較為恰當。

 

 

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