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万瀚塑胶研发电脑CPU散热器导热塑料成功,代替铝材

来源: 时间:2017-09-29 09:06:50 次数:

随着计算机科技的快速发展,中央处理器(CPU)的频率得到了很大提高,CPU芯片的功率和发热密度快速增大,散热问题越来越受到重视,CPU散热器是将芯片上的散热量快速导出的关键部件。目前,主要散热形式有:风冷散热、水冷散热、半导体散热和热管散热。CPU的散热主要依靠风扇的强制对流带走散热翅片上的热量,其中热传导和热对流是风冷式散热器的主要热量传递方式。市场上CPU散热器的材料一般选择导热系数很高的金属(铜或铝),而笔者针对这两个关键问题,提出一种金属----导热塑料复合的扇形散热器结构。将金属良好的导热性和导热塑料良好的设计加工性结合起来,不仅能够减轻散热器的重量和减少成本,而且无需任何后续加工过程,注射成型可使散热器的成型期缩短20%-50%,提高了加工效率,便于工业化生产。

  一、 金属---导热塑料复合散热器的散热分析

1 散热器的边境条件

  基于CPU芯片的实际工作情况,对CPU的对流换热边界条件的具体参数;CPU的功率为100W,其中发热功率占10%,即P=10W。散热器周围温度Q=50℃,电子元件辐射等效热流G=1500W/㎡,冷却叶片高速的强制对流载荷H=52W/(㎡.℃).

2 散热系统模型的建立及材料参数

结合实际CPU芯片的散热器结构,建立了金属---导热塑料复合扇形散热器的三维模型,如图1所示。从图中可以看出,底部的小圆柱片等效为CPU芯片,材料为金属铜,尺寸参数:r=7.5mmh=1mm。中心圆柱的材料是金属铝,与中心圆柱紧密贴合翅片的材料是实验室所制备的尼龙66/石墨烯导热复合材料。表1CPU散热系统各部件材料的物性参数。

 

CPU散热系统各部件材料的物性参数

 

部件         材料       密度/         热导率/      比热/

(KG/m3)       W(㎡.℃)   J/kg.℃                                                  

CPU            Cu         8920               397           381

中心圆柱        Al               2700                         237                    880

散热翅片     导热塑料     2000                           5                      950

3 最优尺寸参数的确定

根据金属----导热塑料复合散热器结构的三维模型。分析散热器的四个结构参数对其散热效果的影响。金属----导热塑料复合扇形散热器的整体半径为固定值30mmD表示散热器中心铝制圆柱的直径,H表示散热器的整体高度,N表示散热器翅片的数量,O表示散热器翅片的厚度,采用控制变量法研究各参数对金属-----导热塑料复合散热器散热效果的影响。

1 D=20mm,N=40 ,O=1mm时,H分别取值15253035404550mm。散热器的最高温度与整体高度的关系如图2所示

 

从图2中得到,固定其他参数时,H12-14mm范围内,散热器的最高温度随高度的增加而越低,散热器的高度从15mm增大到25mm时,最高温度降低了7.55℃,由此可见,为保证散热效果高度取值不能太小。当H增大到40mm后,继续增加高度对散热器最高温度几乎没有影响,可见存在一个最佳高度,在此高度下散热器的最高温度存在最小值,最佳高度H=40mm

2 D=20mm,H=40mm. O=1mm时,N分别取值404550556065时,散热器的最高温度与散热翅片数量的关系如图3所示。

由图3得到,固定其他参数时,散热器的最高温度随翅片数量的增加呈现出先减小后增大的趋势。散热翅片的数量较少时,散热器的散热面积过小,导致散热效率低下,而散热翅片的数量过多,散热器通道不通畅,大量的热量累积在翅片之间,这同样也不利于散热。因此散热翅片的数量存在一个最佳值,大于或小于都会影响散热器的散热效果,使CPU的温度值升高,从图中可以看出,翅片数量最佳值N=60.

3 D=20mmH=40mmN=60时,O分别取值0.40.60.811.2mm时,散热器的最高温度与散热翅片厚度的关系如图4所示。

由图4可以看出,散热器的最高温度随着散热翅片厚度的增加呈现先减小后增大的趋势。当翅片厚度O =1mm时,散热器的散热效果最好。

二、金属----导热塑料复合散热器的优化设计

   前面模拟分析了整体高度、散热翅片数量和散热翅片厚度3种结构参数对金属----导热塑料复合散热器散热效果的影响,得到了最佳的结构参数数值,即当D=20mmH=40mmN=60O=1mm,散热翅片为直助时,散热器的散热性能最优。在4.2.1中所述载荷的作用下,用该散热器散热时CPU芯片的温度为58.582℃,与用铝制散热器散热时CPU芯片的温度值54.817℃,仅仅相差3.765℃.因散热翅片材料为导热塑料,可利用导热塑料具有很好的设计加工性来对金属-----导热塑料复合散热器进行进一步的优化,通过在翅片设计大量的微结构来增大散热面积,增加散热效果。文中设计了三种微结构,截面形状分别是等腰三角形、半圆形和正方形,模拟分析翅片带有这三种微结构时散热器的散热情况。

1、翅片带截面为三角形微结构

 图5是散热翅片上带有截面为三角形微结构的散热器模型及微结构放大图。微结构的尺寸;截面为底边等于0.2mm、高为0.1mm的等腰三角形,微槽之间的距离为0.4mm。每个翅片的两侧各有46条微结构,计算可知,每一个散热翅片的散热面积大约增加了20%,对该散热器进行散热分析,网格划分及模拟结果见图6,散热器的最高温度为57.544℃,比最优结构的金属---导热塑料复合散热器的最高温度值58.582℃降低了1.038℃,这说明由微结构多出的散热面积增强了散热效果。

2、翅片带截面为半圆形微结构

7为散热翅片上带有截面为半圆形微结构的散热器模型及微结构放大图。微结构的产品:截面为半径等于0.1mm的半圆形,微槽之间的间距为0.4mm。每个翅片的两侧各有46条微结构,计算可知,每一个散热翅片的散热面积大约增加了26%,对该散热器进行散热分析,网格划分及模拟结果见图8,散热器的最高温度为57.54℃,比最优结构的金属----导热塑料复合散热器的最高温度值58.582℃降低了1.042℃、微结构数量相同时,截面为半圆形的微结构比三角形的散热面积略大,CPU芯片的温度也略低。

3、翅片带截面为正方形微结构

   散热翅片上带有截面为正方形微结构的散热器模型及微结构放大图见图9.微结构的尺寸:截面为边长等于0.1mm的正方形,微槽之间的间距为0.2mm。每个翅片的两侧各有92条微结构,计算可知,每一个散热翅片的散热面积大约增加了92%,对该散热器进行散热分析,网格划分及模拟结果见图10,散热器最高温度为56.768℃,比带半圆形微结构翅片的散热器最高温度降低了0.772℃,这说明由微结构增加的散热面积越大,散热器的散热效果越好。

三、结论

笔者提出了一种用于CPU芯片散热的金属-----导热塑料复合扇形散热器结构,该结构将金属良好的导热性和导热塑料比较好的设计加工性结合起来。其中心圆柱为金属铝,外层的散热翅片选用实验室所制备的导热塑料,可通过在翅片上设计大量的微结构来增大散热面积,改善散热效果。分析了各种结构参数及翅片微结构对散热器散热效果的影响,主要结论如下。

1、散热器的中心铝制圆柱直径D=20mm,整体高度H=40mm,散热翅片数量N=60,散热翅片厚度O=1mm,散热翅片为直肋时,散热器的散热性能最优。载荷的作用下,用该散热器散热CPU芯片的温度仅为58.582℃,与用铝制散热器散热时的温度值54.817℃仅仅相差3.765℃,完全可以满足CPU芯片散热的需求。

2、在散热翅片上设计了三种微结构,结果表明:翅片上带有微结构的金属----导热塑料散热器的散热效果和金属散热器的散热效果比较接近,可以满足CPU芯片的散热需求,且由微结构增加的散热面积越大,散热器的散热效果越好。

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