金屬-導熱塑料復合散熱器的散熱分析

2015年44卷第1期張娜等——金屬-導熱塑料復合散熱器的散熱分析金屬-導熱塑料復合散熱器的散熱分析張娜,吳大鳴,劉穎,劉科(北京化工大學(xué),高分子材料加工裝備教育部工程研究中心,北京10009)摘要:提出了1種用于CPU芯片散熱的金屬一導熱塑料復合扇形散熱器結構,該結構將金屬良好的導熱性和導熱塑料較好的設計加工性結合起來(lái)。其中心圓柱為金屬鋁,外層的散熱翅片選用實(shí)驗室所制備的導熱塑料,可通過(guò)在翅片上設計大量的微結構來(lái)增大散熱面積,改善散熱效果。分析了各種結構參數及翅片微結構對散熱器散熱效果的影響。關(guān)鍵詞:散熱器;塑料;模擬; ansys;CPU中圖分類(lèi)號:TQ320.66文獻標志碼:A文章編號:1001-9456(2015)01-0080-03Cooling Aanalysis of Metal-Thermal Conductive Plastic Composite RadiatorZHANG Na, WU Da-ming, LIU Ying, LIU KeBeijing University of Chemical Technology, Engineering Research Center for PolymerProcessing Equipment, Ministry of Education, Beijing 100029, China)Abstract: Proposed a metal used in CPU chip cooling-thermal conductive plastic composite radiator sector structure, thestructure would be good thermal conductivity and thermal conductivity metal plastic good design working together. The centralcylinder of aluminum, the outer heat dissipation fin was chosen laboratory preparation of the thermal conductivity of plasticcould pass orthe cooling area of a large number of microstructure, and improved heat dissipationeffect. The various structural parameters and fin microstructure on radiator cooling effect was analyzedKeywords: radiator; plastic; simulation; ansys; CPU隨著(zhù)計算機科技的快速發(fā)展,中央處理器(CPU)的頻率的功率為100W,其中發(fā)熱功率占10%,即P"=10W。散熱器得到了很大提高,CPU芯片的功率和發(fā)熱密度快速增大,散周?chē)h(huán)境溫度6。=50℃,電子元件輻射等效熱流q=1500W/m2熱問(wèn)題越來(lái)越受到重視。CPU散熱器是將芯片上的熱冷卻葉片高速的強制對流載荷h=5W/(m3.℃)。量快速導出的關(guān)鍵部件3。目前,主要散熱形式有:風(fēng)冷1.2散熱系統模型的建立及材料參數散熱,水冷散熱,半導體散熱和熱管散熱6。CPU的散熱主結合實(shí)際CPU芯片的散熱器結構,建立了金屬一導熱塑要依靠風(fēng)扇的強制對流帶走散熱翅片上的熱量,其中熱傳料復合扇形散熱器的三維模型,如圖1所示。從圖中可以看和熱對流是風(fēng)冷式散熱器的主要熱量傳遞方式。市場(chǎng)出,底部的小圓柱片等效為CPU芯片,材料為金屬銅,尺寸上CPU散熱器的材料一般選擇導熱系數很高的金屬(銅或參數:r=7.5mm,h=1mm。中心圓柱的材料是金屬鋁,與鋁)9-1),而筆者針對這2個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題,提出1種金屬一中心圓柱緊密貼合翅片的材料是實(shí)驗室所制備的尼龍66/熱塑料復合的扇形散熱器結構。將金屬良好的導熱性和導石墨導熱復合材料。表1為CPU散熱系統各部件材料的物熱塑料良好的設計加工性結合起來(lái),不僅能夠減輕散熱器的性參數質(zhì)量和減小成本,而且無(wú)需任何后續加工過(guò)程,注射成型可使散熱器的成型周期縮短20%~50%,提高了加工效率,便于工業(yè)化生產(chǎn)。文章選用了扇形散熱器進(jìn)行模擬并簡(jiǎn)化了散熱器結構13-1411金屬-導熱塑料復合散熱器的散熱分析1.1散熱器的邊界條件基于CPU芯片的實(shí)際工作情況,對CPU的對流換熱邊(a)散熱系統的模型;(b)網(wǎng)格劃分結果。界條件進(jìn)行設置,散熱分析里邊界條件的具體參數:CPU圖1散熱系統模型及網(wǎng)格劃分結果收稿日期:2014-06-09中國煤化工作者簡(jiǎn)介:張娜(1989-),女,在讀碩土研究生。CNMHG通信聯(lián)系人:吳大鳴(1957-),男,教授,博土生導師,主要從事精密擠出成型機理及設備、聚合物基納米復合材料制備技術(shù)方面的研究。E-mail:wudaming@vip.163.com皇料張娜等——金屬-導熱塑料復合散熱器的散熱分析2015年44卷第1期表lCPU散熱系統各部件材料的物性參數45、50、55、60、65時(shí),散熱器的最高溫度與散熱翅片數量的關(guān)系密度熱導率比熱/如圖3所示。部件材料(kg/m3)[W/(m2·℃)][J(kg·℃)]由圖3得到,固定其他參數時(shí),散熱器的最高溫度隨翅8920片數量的增加呈現出先減小后增大的趨勢。散熱翅片的數量較少時(shí),散熱器的散熱面積過(guò)小,導致散熱效率低下,而散中心圓柱880熱翅片的數量過(guò)多,散熱通道不通暢,大量的熱量累積在翅散熱翅片導熱塑料20005950片之間,這同樣也不利于散熱。因此散熱翅片的數量存在1.3最優(yōu)尺寸參數的確定個(gè)最佳值,大于或小于該值都會(huì )影響散熱器的散熱效果,使根據金屬導熱塑料復合散熱器結構的三維模型,分析CPU的溫度值升高。從圖中可以看出,翅片數量最佳值N=散熱器的4個(gè)結構參數對其散熱效果的影響。金屬導熱塑料復合扇形散熱器的整體半徑為固定值30mm,D表示3)當D=20mm、H=40mm、N=60時(shí),t分別取值0.4散熱器中心鋁制圓柱的直徑,H表示散熱器的整體高度,N0.60.8、1、12mm時(shí)散熱器的最高溫度與散熱翅片厚度的關(guān)表示散熱翅片的數量,t表示散熱翅片的厚度。采用控制系如圖4所示。變量法研究各參數對金屬導熱塑料復合散熱器散熱效果的影響。1)當D=20mm、N=40、t=1mm時(shí),H分別取值15、25、30、35、40、4550mm。散熱器的最高溫度與整體高度的關(guān)系如圖2594所示。0.6片厚度/mm圖4散熱器的最高溫度與散熱器翅片厚度的關(guān)系曲線(xiàn)由圖4可以看出,散熱器的最高溫度隨著(zhù)散熱翅片厚度的增加呈現先減小后增大的趨勢。當翅片厚度t=1mm時(shí),散熱器的散熱效果最好。整體高度/mn2金屬導熱塑料復合散熱器的優(yōu)化設計圖2散熱器的最高溫度與整體高度的關(guān)系曲線(xiàn)前面模擬分析了整體高度、散熱翅片數量和散熱翅片厚度3種結構參數對金屬-導熱塑料復合散熱器散熱效果的影響,得到了最佳的結構參數數值,即當D=20mm、H=40mm、N=60、t=1mm,散熱翅片為直肋時(shí),散熱器的散熱性能最優(yōu)。在4.2.1中所述載荷的作用下,用該散熱器散熱時(shí)CPU芯片的溫度為59558.582℃,與用鋁制散熱器散熱時(shí)CPU芯片的溫度值54.817℃僅僅相差3.765℃。因散熱翅片材料為導熱塑料,可利用導熱塑料具有很好的設計加工性來(lái)對金屬導熱塑料復合散熱器進(jìn)行進(jìn)一步的優(yōu)化,通過(guò)在翅片上設計大量的微結構來(lái)增大散熱面積,增強散熱效果。文中設計了3種微結構,截面形翅片數量狀分別是等腰三角形、半圓形和正方形,模擬分析翅片帶有這3圖3散熱器的最高溫度與散熱翅片數量的關(guān)系曲線(xiàn)種微結構時(shí)散熱器的散熱情況從圖2中得到,固定其他參數時(shí),H在12-40mm范圍內,2.1翅片帶截面為三角形微結構散熱器的最高溫度隨高度的增加而越低,散熱器的高度從15mm圖5是散熱翅片上帶有截面為三角形微結構的散熱器模型增大到25mm時(shí),最高溫度降低了755℃,由此可見(jiàn)為保證散及微結構放大圖。微結構的尺寸:截面為底邊等于0.2mm、高熱效果高度取值不能太小。當H增大到40mm后,繼續增加高為0.1mm的中國煤化工為0.4mm。每個(gè)翅度對散熱器最高溫度幾乎沒(méi)有影響可見(jiàn)存在1個(gè)最佳高度,在片的兩側各有CNMHG個(gè)散熱翅片的散熱此高度下散熱器的最高溫度存在最小值,最佳高度H面積大約增加了20%,對該散熱器進(jìn)行散熱分析,網(wǎng)格劃分及2)當D=20mm、H=40mm、t=1mm時(shí),N分別取值40、模擬結果見(jiàn)圖6,散熱器的最高溫度為57.544℃,比最優(yōu)結構聖料015年44卷第1期張娜等—金屬-導熱塑料復合散熱器的散熱分析的金屬導熱塑料復合散熱器的最高溫度值58.582℃降低了2.3翅片帶截面為正方形微結構1.038℃,這說(shuō)明由微結構多出的散熱面積增強了散熱效果。散熱翅片上帶有截面為正方形微結構的散熱器模型及微結構放大圖見(jiàn)圖9。微結構的尺寸:截面為邊長(cháng)等于0.1mm的正方形,微槽之間的間距為0.2mm。每個(gè)翅片的兩側各有92條微結構,計算可知,每一個(gè)散熱翅片的散熱面積大約增加了92%,對該散熱器進(jìn)行散熱分析,網(wǎng)格劃分及模擬結果見(jiàn)圖10散熱器最高溫度為56.768℃,比帶半圓形微結構翅片的散熱器最高溫度降低了0.772℃,這說(shuō)明由微結構增加的散熱面積越大,散熱器的散熱效果越好。圖5微結構放大圖圖9微結構放大圖圖6模擬結果(57.544℃)2.2翅片帶截面為半圓形微結構圖7為散熱翅片上帶有截面為半圓形微結構的散熱器模型及微結構放大圖。微結構的尺寸:截面為半徑等于0.1mm的半圓形,微槽之間的間距為0.4mm。每個(gè)翅片的兩側各有4條微結構,計算可知,每一個(gè)散熱翅片的散熱面積大約增加了26%,對該散熱器進(jìn)行散熱分析,網(wǎng)格劃分及模擬結果見(jiàn)圖8,散熱器的最高溫度為5754℃,比最優(yōu)結構的金屬導熱塑料復圖10模擬結果(56.768℃)合散熱器的最高溫度值58.582℃降低了1.042℃。微結構數3結論量相同時(shí),截面為半圓形的微結構比三角形的散熱面積略大筆者提出了1種用于CPU芯片散熱的金屬導熱塑料復合CPU芯片的溫度也略低。扇形散熱器結構,該結構將金屬良好的導熱性和導熱塑料較好的設計加工性結合起來(lái)。其中心圓柱為金屬鋁,外層的散熱翅片選用實(shí)驗室所制備的導熱塑料,可通過(guò)在翅片上設計大量的微結構來(lái)增大散熱面積,改善散熱效果。分析了各種結構參數及翅片微結構對散熱器散熱效果的影響,主要結論如下。1)散熱器的中心鋁制圓柱直徑D=20mm,整體高度H=40mm,散熱翅片數量N=60,散熱翅片厚度t=1mm,散熱翅片為直肋時(shí),散熱器的散熱性能最優(yōu)。載荷的作用下,用該散熱器圖7微結構放大圖散熱CPU芯片的溫度僅為58.582℃,與用鋁制散熱器散熱時(shí)的溫度值54.817℃僅僅相差3.765℃,完全可以滿(mǎn)足CPU芯片散熱的需求。2)在散熱翅片上設計了3種微結構,結果表明:翅片上帶有微結構的金屬一導熱塑料散熱器的散熱效果和金屬散熱器的散熱效果比較接近,可以滿(mǎn)足CPU芯片的散熱需求,且由微結構增加的散熱面積散熱器的散熱效果越好。參考文獻中國煤化工[1]唐金沙CNMH G器散熱性能的實(shí)驗測試圖8模擬結果(57.54℃)[]現代電子技術(shù),2009,299(12):115-120(下轉42頁(yè))料015年44卷第1期彩霞等——聚丙烯與聚丁烯-1共混體系的力學(xué)性能2.3對沖擊性能的影響參考文獻:圖5是聚丁烯-1用量對共混體系沖擊強度的影響。從圖中[1]趙紅英,王國全,張華.納米CaCO3增韌聚丙烯的研究[].塑可以看出,隨著(zhù)PB-1用量的增加,共混物的懸臂梁缺口沖擊強料工業(yè),2003,30(4):23-2度整體呈上升趨勢,其原因是:2種半結晶性高聚物共混時(shí),大[2]李國林,吳水珠,曾鈁,高抗沖高模量聚丙烯的研究進(jìn)展[J]分子鏈相互干擾,聚丙烯和PB-1的結晶完善程度均受到破壞,合成材料老化與應用,2009,38(4):40-43使其在室溫時(shí)的脆性下降,從而提高了材料的韌性51"3[3]洪定一.聚丙烯原理工藝與技術(shù)[M].北京:中國石化出版社024]宋賽楠,曹庚振,王霞,劉強,賈軍紀.聚丙烯塑料的改性研究J].塑料工業(yè),2011,39(21):57-59[5 Y T Shieha, M S Leeb, S A Chen. Crystallization behavior, crystaltransformation, and morphology of polypropylene/ polybutene-I blends[J]. Polymer,2001,42:4439-448[6] Pier Luigi Beltrame, Antonella Castelli, Germano MunarettoCharacterization of polypropylene-poly 1-butene )-hydrogenated聚丁烯用量/份olygo-( cyclopentadiene) termary blends [ J]. J Appl Polym SciPP075;-PP26;-PP8003;PP30R;SP179。圖5聚丁烯1用量對共混體系沖擊強度的影響[7]劉建橋,姚薇,陳占勛,黃寶琛.聚丁烯1改性PP的研究[J].現當PB-1用量達到30份時(shí),相對于純PP075、PP726、代塑料加工應用,2010,22(3):22-23PP8003、PP30R、SP179而言,共混物的沖擊強度分別提高了[8]楊金興,喬輝,史翎.國內外聚丁烯-1的研究進(jìn)展[J].塑料145%、11%、29%、193%、和0。其中SP179和PP8003與PB-1共混物的沖擊強度基本沒(méi)多大變化是因為這2種聚丙烯本身9]黃佃平,江云濤,胡紅旗,姚薇,黃寶琛PBPP共混體系力學(xué)性能和結晶性能的研究[].塑料,2008,37(2):33-36的沖擊強度就與純PB-1的沖擊強度相當。而PP7726的熔體流[ 10] A Siegmann. Crystalline/crystalline polymer blends: Some structure-動(dòng)速率約是PB-1的110倍,二者的流動(dòng)性差別太大,在熔融共property relationships [J]. Jourmal of Applied Polymer Science混時(shí),相容性相對較差,共混后沖擊性能改善不大。1979,24:2333-23453結論[1]劉國棟,楊麗庭,王廣德,李燕芳,高俊剛聚合物二元共混物1)PB-1對聚丙烯具有明顯的增韌改性效果,隨著(zhù)共混物中拉伸強度混合規則的改進(jìn)模型[J].高分子學(xué)報,2000(6):795-PB-1含量的增加,共混物的斷裂伸長(cháng)率呈現先升高后下降的趨勢;沖擊強度呈明顯上升趨勢,分別增加了11%到193%不等,[12 Mao-Song Lee, Show-An Chen, Synergism on tensile properties of其中PB-1對均聚PP075和共聚PP3OR的共混增韌改性效果較injection molded polybutene-1/polypropylene blends [ J]. PolymerEngineering and Science, 1993, 33(11): 686-699好2)隨著(zhù)共混體系中PB1含量的增加P/PB1共混物的拉[13]嚴海彪,邵禹通,陳海,程思怡.B成核劑對PR結晶行為和性能的影響[J].塑料,2013,42(5):49-51伸強度、彎曲強度和彎曲性能均呈下降趨勢,且均聚PP/PB-1共(本文編輯LYZ)混物的性能下降速率明顯大于與共聚PP/PB-1的共混物。(上接82頁(yè))微計算機信息,2008,24(4):239-240.2]張建臣,C門(mén)U風(fēng)冷散熱器散熱性能分析與研究[J]福建電腦,[9]耿德軍,胡艷CPU散熱片結構設計[J].沈陽(yáng)理工大學(xué)學(xué)報2011,30(1):82-84[3]陳林杜小澤,林俊,等,導熱塑料在換熱器中的應用[冂].塑料,[10]周建輝,楊春信.CPU散熱器結構設計與熱分析[]電子機械工2013,42(6):28-30程,2006,22(6):26-29[4]趙幸.塑料部件制造中的新型導熱材料[冂].化工新型材料,[胡艷郭廣思,尚新泉.CPU散熱數值模擬分析[』]制冷技術(shù),2002,30(2):27,52009,37(9):60-65[5]李士賢.聚丙烯塑料換熱器.[冂.化工進(jìn)展,1985,12(6):29-[12]陳占秀,孫春華,周澤平.CPU散熱器數值模擬分析及其材料選擇的研究[冂].河北工業(yè)大學(xué)學(xué)報,2008,37(1):86-89.[6]胡艷.CPU散熱片的設計及模擬[D].沈陽(yáng):沈陽(yáng)理工大學(xué),[13]季騰騰中國煤化工磁輻射仿真分析[J]電子科[7]張雁楠楊旖莎,李篤信,等.石墨改性PA46導熱復合材料的性[14]陸正裕CNMHG換熱特性的實(shí)驗研究能[J].塑料,2014,43(1):67-70[].工程熱物理學(xué)報,2004,25(5):861-863[8]陳進(jìn),付建玲,劉驍,等.CPU界面傳熱過(guò)程熱接觸模型研究[](本文編輯LYZ)