均温热沉的液冷循环系统设计
发布时间：2021-01-04 16:55
关键电子元器件的面热流密度不断提高,传统冷板已难以满足散热需求,微通道热沉散热收到普遍关注,而评价热沉的散热能力,需要一套与其参数范围匹配的实验系统,不仅要求达到大功率负载下的散热能力,更需要考量此时热负载表面的均温效果,对热沉实验系统的设计提出新的要求。本文针对一种均温微通道热沉结构,设计一套液冷循环散热系统,并对系统中重点模块（热端模块结构、冷端模块结构、系统管路等）进行结构设计和实验参数制定。在系统热端模块设计中,对一种三层雪花构型均温热沉结构进行了性能的数值模拟,研究了其压降和均温散热性能。设计了热沉支撑体结构,研究了其入口流速、针肋直径等参数对均温热沉结构并联入口边界流速均匀性的影响。设计了高功率热负载结构,对内部发热源功率、热面热流密度均匀性以及不同热源安装位置进行了热特性研究,并利用均温性能评价方法对其热面均温性进行评估。在系统冷端模块设计中,采用风冷和热电制冷串联方式,组成系统的冷端制冷模块,该模块将热端流出的循环水制冷到初始常温,达到循环利用的目的,其中风冷散热器实现主要的散热作用,热电制冷结构实现小范围温控作用,达到所需温控精度要求。在系统管路设计中,主要进行了循环...
【文章来源】：电子科技大学四川省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：79 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
英特尔CPU频率趋势图
第一章绪论1第一章绪论1.1课题背景与意义近年来，随着电子时代的高速发展，高性能设备（如云服务器、CPU芯片等）和数字移动产品设备（智能手机、3D游戏手持设备等）为了获得外观和性能的优势[1]，尽可能将器件板级尺寸向小型化方向设计，由器件的功率密度引起的热效应已经成为集成器件进一步微型化障碍[2]，这将会迫使开发商在设计时预留出设计余量，结果只能得到次最优的参数，直接给生产商造成数不可估量的的经济损失。另外，对于大型数据中心，每散去一瓦热量时需要耗费0.35~0.65W不等的制冷电量，这个数值仍还在持续增加[3-5]，无论小型设备还是大型计算设备，热效应问题对设备的可靠性和用户体验已经带来了不可忽视的影响。从环保角度看，冗余热也会增加二氧化碳的排放量，这不符合可持续发展时代特征。由于热效应的影响，大部分主流的电子器件生产商在设计物理基础框架时，按照最强工作工况功耗给出了热设计功率，设备在此功耗频率下不允许超过数微秒，这是非常短的时间。但近几十年之内热设计功率飞速增长已经成为一种“热常态”，如图1-1所示，为2010版英特尔CPU频率趋势图，能客观地反映出热效应问题带来的严重性，高性能器件的功率密度会分布不均匀，尤其处理器Die局部发热区域，局部处的功率密度已经超过了250W/cm[6]，局部热点温度一旦超过温度阈值（一般范围在80℃~105℃之间），会激活动态热管理引擎（DTM）并触发系统降频，同时在运行期间，通过TDP表示的系统总功耗会动态调节不同计算核或芯片的功耗，从而导致系统性能下降[7]。图1-1英特尔CPU频率趋势图图1-2Inter16核处理器局部热点平面
庵?螅?岷隙嗪舜?砥魅认煊Π咐?饽芄恢?观的反应此类经典问题，图1-2为Inter16核处理器在同一负载下局部热点平面图，处理器中出现数百个热点，热点处于芯片核心计算模块区域（例如，整形和浮点数执行单元、链表寄存器、数据缓存区域），一般而言，不同类型的载荷造成引起的热点位置是不一致的，因为会受到内部因素（如性能节流度、设计和实际功耗、芯片Die排布方式、材料导热材质、负载程序等）和外在因素（如散热方式、负载器件功率等）综合影响，因此随热效应的研究是当今时代电子行业必须深入探讨的一项学术问题。图1-3强迫风冷散热图1-4主板热管相变散热常见的电子功率器件散热冷却方式有空气冷却、液体冷却、热电制冷、相变冷却等。在空气冷却中强迫空气冷却是首要的、最广泛应用的主动冷却技术，最常用的是风冷[8]。如图1-3所示，一般将冷却风扇直接固定在散热器的顶部，使冷却空气垂直地吹向散热器，这种冷却方式通常被称为冲击冷却[9]。液体冷却具有较长的发展历史，IBM引入水冷技术用于冷却叠板中的热量。在实际中用来缓解器件上过多的热损耗，同时会带来新的开销，因为液体冷却系统涉及相关其它部件（如泵、液体管道、温度传感器等），并且需要确保冷却液体的隔离，造成较高的设计成本。热电冷却（TEC）是最易于使用的技术之一，且在市场上有较为技术成熟的热电冷却器件产品。热电材料的出现，主要归因于20世纪50年代中期引入化合碲化物和合金技术[10,11]，然而热电制冷器件由于金属的配对不良，会导致制冷效率很低，近年来，分立式TEC元件由于高制冷效率的特点已经在实际中得到广泛的应用[12-14]。有文献中报道了薄膜TEC装置的显著进步，已经提出了5um厚度的Bi2Te3超晶格装置，估计能够达到500W/cm2的冷却能力[15]。
【参考文献】：
期刊论文
[1]表面粗糙度的分形特征及其对微通道内层流流动的影响[J]. 张程宾,陈永平,施明恒,付盼盼,吴嘉峰. 物理学报. 2009(10)
[2]Y形构形微通道流动换热特性的数值分析[J]. 徐国强,王梦,吴宏,陶智. 北京航空航天大学学报. 2009(03)
[3]电子元器件散热方法研究[J]. 李庆友,王文,周根明. 电子器件. 2005(04)
本文编号：2957097
【文章来源】：电子科技大学四川省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：79 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
英特尔CPU频率趋势图
第一章绪论1第一章绪论1.1课题背景与意义近年来，随着电子时代的高速发展，高性能设备（如云服务器、CPU芯片等）和数字移动产品设备（智能手机、3D游戏手持设备等）为了获得外观和性能的优势[1]，尽可能将器件板级尺寸向小型化方向设计，由器件的功率密度引起的热效应已经成为集成器件进一步微型化障碍[2]，这将会迫使开发商在设计时预留出设计余量，结果只能得到次最优的参数，直接给生产商造成数不可估量的的经济损失。另外，对于大型数据中心，每散去一瓦热量时需要耗费0.35~0.65W不等的制冷电量，这个数值仍还在持续增加[3-5]，无论小型设备还是大型计算设备，热效应问题对设备的可靠性和用户体验已经带来了不可忽视的影响。从环保角度看，冗余热也会增加二氧化碳的排放量，这不符合可持续发展时代特征。由于热效应的影响，大部分主流的电子器件生产商在设计物理基础框架时，按照最强工作工况功耗给出了热设计功率，设备在此功耗频率下不允许超过数微秒，这是非常短的时间。但近几十年之内热设计功率飞速增长已经成为一种“热常态”，如图1-1所示，为2010版英特尔CPU频率趋势图，能客观地反映出热效应问题带来的严重性，高性能器件的功率密度会分布不均匀，尤其处理器Die局部发热区域，局部处的功率密度已经超过了250W/cm[6]，局部热点温度一旦超过温度阈值（一般范围在80℃~105℃之间），会激活动态热管理引擎（DTM）并触发系统降频，同时在运行期间，通过TDP表示的系统总功耗会动态调节不同计算核或芯片的功耗，从而导致系统性能下降[7]。图1-1英特尔CPU频率趋势图图1-2Inter16核处理器局部热点平面
庵?螅?岷隙嗪舜?砥魅认煊Π咐?饽芄恢?观的反应此类经典问题，图1-2为Inter16核处理器在同一负载下局部热点平面图，处理器中出现数百个热点，热点处于芯片核心计算模块区域（例如，整形和浮点数执行单元、链表寄存器、数据缓存区域），一般而言，不同类型的载荷造成引起的热点位置是不一致的，因为会受到内部因素（如性能节流度、设计和实际功耗、芯片Die排布方式、材料导热材质、负载程序等）和外在因素（如散热方式、负载器件功率等）综合影响，因此随热效应的研究是当今时代电子行业必须深入探讨的一项学术问题。图1-3强迫风冷散热图1-4主板热管相变散热常见的电子功率器件散热冷却方式有空气冷却、液体冷却、热电制冷、相变冷却等。在空气冷却中强迫空气冷却是首要的、最广泛应用的主动冷却技术，最常用的是风冷[8]。如图1-3所示，一般将冷却风扇直接固定在散热器的顶部，使冷却空气垂直地吹向散热器，这种冷却方式通常被称为冲击冷却[9]。液体冷却具有较长的发展历史，IBM引入水冷技术用于冷却叠板中的热量。在实际中用来缓解器件上过多的热损耗，同时会带来新的开销，因为液体冷却系统涉及相关其它部件（如泵、液体管道、温度传感器等），并且需要确保冷却液体的隔离，造成较高的设计成本。热电冷却（TEC）是最易于使用的技术之一，且在市场上有较为技术成熟的热电冷却器件产品。热电材料的出现，主要归因于20世纪50年代中期引入化合碲化物和合金技术[10,11]，然而热电制冷器件由于金属的配对不良，会导致制冷效率很低，近年来，分立式TEC元件由于高制冷效率的特点已经在实际中得到广泛的应用[12-14]。有文献中报道了薄膜TEC装置的显著进步，已经提出了5um厚度的Bi2Te3超晶格装置，估计能够达到500W/cm2的冷却能力[15]。
【参考文献】：
期刊论文
[1]表面粗糙度的分形特征及其对微通道内层流流动的影响[J]. 张程宾,陈永平,施明恒,付盼盼,吴嘉峰. 物理学报. 2009(10)
[2]Y形构形微通道流动换热特性的数值分析[J]. 徐国强,王梦,吴宏,陶智. 北京航空航天大学学报. 2009(03)
[3]电子元器件散热方法研究[J]. 李庆友,王文,周根明. 电子器件. 2005(04)
本文编号：2957097
本文链接：https://www.wllwen.com/kejilunwen/dianzigongchenglunwen/2957097.html
