基于纳米流体和强化换热面耦合冷却式的CPU散热特性研究

发布时间：2020-06-20 11:58

【摘要】：近年来,电子科技迅速发展,电子设备的高频率、高运行速度以及集成电路的集中化和小型化导致CPU(Central Processing Unit)单位面积的发热量急剧增加。CPU的运行速度与温度密切相关,CPU温度每上升1℃,其性能将下降5%,因此,设计与制造CPU高效散热装置成为一个急需解决的问题。常用的冷却工质(水、空气、油等)逐渐难以达到如此高强度的散热要求。纳米流体作为一种新型冷却剂,具有高导热性和良好的传热性能,被广泛地应用于科研和工业领域。基于以上研究背景,本论文主要从两个方面做了研究:一方面使用具有良好导热性能的纳米流体作为CPU冷却工质;另一方面使用凹槽和凸起改变CPU散热器的热交换表面以改善冷却效果。本论文的主要研究内容和成果概括如下:(1)通过“两步法”制备了不同质量分数的TiO_2-H_2O纳米流体(0.1%-0.5%),研究与分析了配制的纳米流体的稳定性和热物理性质;(2)通过实验的方法测试了纳米流体在具有不同换热面的CPU散热器中的冷却性能,换热面通过半圆形凸起、矩形凹槽、圆柱形凸起、圆柱形凹槽进行改变,并研究了半圆形凸起的排列方式(顺排,叉排)、矩形凹槽的深度(1mm,2mm)、圆柱形凸起的排列方式(顺排,叉排)、圆柱形凹槽的排列方式(顺排,叉排)和深度(1mm,2mm,3mm)对CPU散热器中纳米流体散热性能的影响,采用综合评价指数、热效率、(火用)效率、熵增等多种评价准则分析了不同结构散热器中纳米流体的冷却性能。研究结果表明:在纳米流体的冷却下,CPU表面的温度明显下降。对于半圆形凸起结构,与去离子水相比,纳米流体在具有顺排凸起和叉排凸起的CPU散热器中流动,最多降低CPU表面温度的10.5%和12.5%。与顺排凸起相比,叉排凸起的CPU散热器的表面温度可降低2.7-3.8%。对于不同的强化换热结构,TiO_2-H_2O纳米流体的冷却性能随着质量分数先增强后减弱,总是存在一个质量分数使纳米流体具有最佳的传热性能,凸起结构和凹槽结构的最佳质量分数分别为0.4%,0.3%。圆柱形凹槽散热器的热效率随着纳米颗粒质量分数的增加而降低,但随着凹槽深度的增加而增大。在相同的传热技术下,顺排结构的热效率高于叉排结构的热效率。在相同的泵功和流速下,圆柱形凹槽散热器的(火用)效率显著提高。对于圆柱形凹槽散热器,叉排结构的总熵增几乎是顺排结构的2倍,这表明顺排结构在换热过程中具有更好的熵增性能。
【学位授予单位】：中国矿业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TP332
【图文】：

两步法,纳米流体,流体,沉降观测

H2O 纳米流体。次制备纳米流体采用质量分数表征纳米流体的浓度，因为质量分数地、方便地衡量所配制纳米流体的浓度。另外，纳米流体的浓度还分数来表示，换算公式如下： np nf11 于实验需求，本文制备了 ω=0.1%-0.5%的 TiO2-H2O 纳米流体。 TiO2-H2O 纳米流体稳定性分析文使用沉降观测法对制备的 TiO2-H2O 纳米流体的稳定性进行对比为最简单的稳定性分析法，沉降观测法是通过观察纳米颗粒沉淀的米流体的稳定性。本实验使用沉降观测法对比了刚配制好的纳米流后的纳米流体的沉淀，对比结果如图 2-1。可以发现，静置 7 天后有显著的沉淀，仍具有良好的分散性，故本次制备的纳米流体分散要求。0.1% 0.2% 0.3% 0.4% 0.5%0.1% 0.2% 0.3% 0.4% 0.5%

示意图,实验系统,散热系统,纳米流体

热器中的流动散热系统示意图和实物图。拟 CPU 发热部分、流动与换热测试部分以示意图可以看出，散热系统的工作流程为：，流经散热器时被加热，被加热的纳米流体送回储液罐，形成循环。Temperaturecontrol sinkWater tankPeristalticpumpValveFlowmeterToutT1 T2 T8 T9 TinDifferential pressuretransmitterDate acquisitionsystemCPU heat sinkComputer图 2-4 实验系统示意图Fig. 2-4. Schematic diagram of experimental system

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