金属-导热塑料复合散热器的散热分析

2015年44卷第1期张娜等——金属-导热塑料复合散热器的散热分析金属-导热塑料复合散热器的散热分析张娜,吴大鸣,刘颖,刘科(北京化工大学,高分子材料加工装备教育部工程研究中心,北京10009)摘要:提出了1种用于CPU芯片散热的金属一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。关键词:散热器;塑料;模拟; ansys;CPU中图分类号:TQ320.66文献标志码:A文章编号: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随着计算机科技的快速发展,中央处理器(CPU)的频率的功率为100W,其中发热功率占10%,即P"=10W。散热器得到了很大提高,CPU芯片的功率和发热密度快速增大,散周围环境温度6。=50℃,电子元件辐射等效热流q=1500W/m2热问题越来越受到重视。CPU散热器是将芯片上的热冷却叶片高速的强制对流载荷h=5W/(m3.℃)。量快速导出的关键部件3。目前,主要散热形式有:风冷1.2散热系统模型的建立及材料参数散热,水冷散热,半导体散热和热管散热6。CPU的散热主结合实际CPU芯片的散热器结构,建立了金属一导热塑要依靠风扇的强制对流带走散热翅片上的热量,其中热传料复合扇形散热器的三维模型,如图1所示。从图中可以看和热对流是风冷式散热器的主要热量传递方式。市场出,底部的小圆柱片等效为CPU芯片,材料为金属铜,尺寸上CPU散热器的材料一般选择导热系数很高的金属(铜或参数:r=7.5mm,h=1mm。中心圆柱的材料是金属铝,与铝)9-1),而笔者针对这2个关键问题,提出1种金属一中心圆柱紧密贴合翅片的材料是实验室所制备的尼龙66/热塑料复合的扇形散热器结构。将金属良好的导热性和导石墨导热复合材料。表1为CPU散热系统各部件材料的物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性参数质量和减小成本,而且无需任何后续加工过程,注射成型可使散热器的成型周期缩短20%~50%,提高了加工效率,便于工业化生产。文章选用了扇形散热器进行模拟并简化了散热器结构13-1411金属-导热塑料复合散热器的散热分析1.1散热器的边界条件基于CPU芯片的实际工作情况,对CPU的对流换热边(a)散热系统的模型;(b)网格划分结果。界条件进行设置,散热分析里边界条件的具体参数:CPU图1散热系统模型及网格划分结果收稿日期:2014-06-09中国煤化工作者简介:张娜(1989-),女,在读硕土研究生。CNMHG通信联系人:吴大鸣(1957-),男,教授,博土生导师,主要从事精密挤出成型机理及设备、聚合物基纳米复合材料制备技术方面的研究。E-mail:wudaming@vip.163.com皇料张娜等——金属-导热塑料复合散热器的散热分析2015年44卷第1期表lCPU散热系统各部件材料的物性参数45、50、55、60、65时,散热器的最高温度与散热翅片数量的关系密度热导率比热/如图3所示。部件材料(kg/m3)[W/(m2·℃)][J(kg·℃)]由图3得到,固定其他参数时,散热器的最高温度随翅8920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,而散中心圆柱880热翅片的数量过多,散热通道不通畅,大量的热量累积在翅散热翅片导热塑料20005950片之间,这同样也不利于散热。因此散热翅片的数量存在1.3最优尺寸参数的确定个最佳值,大于或小于该值都会影响散热器的散热效果,使根据金属导热塑料复合散热器结构的三维模型,分析CPU的温度值升高。从图中可以看出,翅片数量最佳值N=散热器的4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30mm,D表示3)当D=20mm、H=40mm、N=60时,t分别取值0.4散热器中心铝制圆柱的直径,H表示散热器的整体高度,N0.60.8、1、12mm时散热器的最高温度与散热翅片厚度的关表示散热翅片的数量,t表示散热翅片的厚度。采用控制系如图4所示。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)当D=20mm、N=40、t=1mm时,H分别取值15、25、30、35、40、4550mm。散热器的最高温度与整体高度的关系如图2594所示。0.6片厚度/mm图4散热器的最高温度与散热器翅片厚度的关系曲线由图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t=1mm时,散热器的散热效果最好。整体高度/mn2金属导热塑料复合散热器的优化设计图2散热器的最高温度与整体高度的关系曲线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=20mm、H=40mm、N=60、t=1mm,散热翅片为直肋时,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59558.582℃,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,通过在翅片上设计大量的微结构来增大散热面积,增强散热效果。文中设计了3种微结构,截面形翅片数量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3图3散热器的最高温度与散热翅片数量的关系曲线种微结构时散热器的散热情况从图2中得到,固定其他参数时,H在12-40mm范围内,2.1翅片带截面为三角形微结构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增大到25mm时,最高温度降低了755℃,由此可见为保证散及微结构放大图。微结构的尺寸:截面为底边等于0.2mm、高热效果高度取值不能太小。当H增大到40mm后,继续增加高为0.1mm的中国煤化工为0.4mm。每个翅度对散热器最高温度几乎没有影响可见存在1个最佳高度,在片的两侧各有CNMHG个散热翅片的散热此高度下散热器的最高温度存在最小值,最佳高度H面积大约增加了20%,对该散热器进行散热分析,网格划分及2)当D=20mm、H=40mm、t=1mm时,N分别取值40、模拟结果见图6,散热器的最高温度为57.544℃,比最优结构聖料015年44卷第1期张娜等—金属-导热塑料复合散热器的散热分析的金属导热塑料复合散热器的最高温度值58.582℃降低了2.3翅片带截面为正方形微结构1.038℃,这说明由微结构多出的散热面积增强了散热效果。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。图5微结构放大图图9微结构放大图图6模拟结果(57.544℃)2.2翅片带截面为半圆形微结构图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。微结构的尺寸: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4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5754℃,比最优结构的金属导热塑料复图10模拟结果(56.768℃)合散热器的最高温度值58.582℃降低了1.042℃。微结构数3结论量相同时,截面为半圆形的微结构比三角形的散热面积略大笔者提出了1种用于CPU芯片散热的金属导热塑料复合CPU芯片的温度也略低。扇形散热器结构,该结构将金属良好的导热性和导热塑料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t=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,用该散热器图7微结构放大图散热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3种微结构,结果表明:翅片上带有微结构的金属一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散热器的散热效果越好。参考文献中国煤化工[1]唐金沙CNMH G器散热性能的实验测试图8模拟结果(57.54℃)[]现代电子技术,2009,299(12):115-120(下转42页)料015年44卷第1期彩霞等——聚丙烯与聚丁烯-1共混体系的力学性能2.3对冲击性能的影响参考文献:图5是聚丁烯-1用量对共混体系冲击强度的影响。从图中[1]赵红英,王国全,张华.纳米CaCO3增韧聚丙烯的研究[].塑可以看出,随着PB-1用量的增加,共混物的悬臂梁缺口冲击强料工业,2003,30(4):23-2度整体呈上升趋势,其原因是:2种半结晶性高聚物共混时,大[2]李国林,吴水珠,曾钫,高抗冲高模量聚丙烯的研究进展[J]分子链相互干扰,聚丙烯和PB-1的结晶完善程度均受到破坏,合成材料老化与应用,2009,38(4):40-43使其在室温时的脆性下降,从而提高了材料的韧性51"3[3]洪定一.聚丙烯原理工艺与技术[M].北京:中国石化出版社024]宋赛楠,曹庚振,王霞,刘强,贾军纪.聚丙烯塑料的改性研究J].塑料工业,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。图5聚丁烯1用量对共混体系冲击强度的影响[7]刘建桥,姚薇,陈占勋,黄宝琛.聚丁烯1改性PP的研究[J].现当PB-1用量达到30份时,相对于纯PP075、PP726、代塑料加工应用,2010,22(3):22-23PP8003、PP30R、SP179而言,共混物的冲击强度分别提高了[8]杨金兴,乔辉,史翎.国内外聚丁烯-1的研究进展[J].塑料145%、11%、29%、193%、和0。其中SP179和PP8003与PB-1共混物的冲击强度基本没多大变化是因为这2种聚丙烯本身9]黄佃平,江云涛,胡红旗,姚薇,黄宝琛PBPP共混体系力学性能和结晶性能的研究[].塑料,2008,37(2):33-36的冲击强度就与纯PB-1的冲击强度相当。而PP7726的熔体流[ 10] A Siegmann. Crystalline/crystalline polymer blends: Some structure-动速率约是PB-1的110倍,二者的流动性差别太大,在熔融共property relationships [J]. Jourmal of Applied Polymer Science混时,相容性相对较差,共混后冲击性能改善不大。1979,24:2333-23453结论[1]刘国栋,杨丽庭,王广德,李燕芳,高俊刚聚合物二元共混物1)PB-1对聚丙烯具有明显的增韧改性效果,随着共混物中拉伸强度混合规则的改进模型[J].高分子学报,2000(6):795-PB-1含量的增加,共混物的断裂伸长率呈现先升高后下降的趋势;冲击强度呈明显上升趋势,分别增加了11%到193%不等,[12 Mao-Song Lee, Show-An Chen, Synergism on tensile properties of其中PB-1对均聚PP075和共聚PP3OR的共混增韧改性效果较injection molded polybutene-1/polypropylene blends [ J]. PolymerEngineering and Science, 1993, 33(11): 686-699好2)随着共混体系中PB1含量的增加P/PB1共混物的拉[13]严海彪,邵禹通,陈海,程思怡.B成核剂对PR结晶行为和性能的影响[J].塑料,2013,42(5):49-51伸强度、弯曲强度和弯曲性能均呈下降趋势,且均聚PP/PB-1共(本文编辑LYZ)混物的性能下降速率明显大于与共聚PP/PB-1的共混物。(上接82页)微计算机信息,2008,24(4):239-240.2]张建臣,C門U风冷散热器散热性能分析与研究[J]福建电脑,[9]耿德军,胡艳CPU散热片结构设计[J].沈阳理工大学学报2011,30(1):82-84[3]陈林杜小泽,林俊,等,导热塑料在换热器中的应用[冂].塑料,[10]周建辉,杨春信.CPU散热器结构设计与热分析[]电子机械工2013,42(6):28-30程,2006,22(6):26-29[4]赵幸.塑料部件制造中的新型导热材料[冂].化工新型材料,[胡艳郭广思,尚新泉.CPU散热数值模拟分析[』]制冷技术,2002,30(2):27,52009,37(9):60-65[5]李士贤.聚丙烯塑料换热器.[冂.化工进展,1985,12(6):29-[12]陈占秀,孙春华,周泽平.CPU散热器数值模拟分析及其材料选择的研究[冂].河北工业大学学报,2008,37(1):86-89.[6]胡艳.CPU散热片的设计及模拟[D].沈阳:沈阳理工大学,[13]季腾腾中国煤化工磁辐射仿真分析[J]电子科[7]张雁楠杨旖莎,李笃信,等.石墨改性PA46导热复合材料的性[14]陆正裕CNMHG换热特性的实验研究能[J].塑料,2014,43(1):67-70[].工程热物理学报,2004,25(5):861-863[8]陈进,付建玲,刘骁,等.CPU界面传热过程热接触模型研究[](本文编辑LYZ)