面向CPU的金属—聚合物复合微结构散热器换热机理研究及结构优化

发布时间：2017-09-09 05:04

  本文关键词：面向CPU的金属—聚合物复合微结构散热器换热机理研究及结构优化

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【摘要】：随着CPU小型化,运行速度、集成度和频率的大幅增大,CPU芯片的高热流密度及热量集中已经成为了一种无法抗拒的趋势,芯片的冷却问题变得更加的突出。因此,研制出拥有高性能的散热器对CPU芯片进行冷却已经成为热力学研究的热点。目前,市场上存在的金属散热器导热系数较大,因此金属散热器的导热量远远大于散热量,使热量集聚在翅片处,无法高效的散发到空气中。微结构散热器具有更高的传热效率、更高的热流量,热量可以高效的散发到空气中。因此,基于新材料、小体积、高散热效率等优点的新型CPU散热器,将会具有非常大的市场前景。本文提出了一种新型的金属-聚合物复合式散热器,该散热器利用金属基板优良的导热性能和聚合物微结构翅片优良的散热性能实现热量的高效导出和高效散出,最终获得从热源到环境的热量传递平衡。基于该复合式散热器传热平衡机理,本文从散热器结构和材料等方面对散热器导热和散热性能和影响散热性能的因素进行了深入研究,主要研究内容为：1.建立了复合式散热器的几何模型,首先研究了不同翅片间距和厚度下翅片高度对聚合物散热器散热性能的影响；其次综合分析了翅片间距、高度、厚度对金属-聚合物复合式散热器散热性能的影响；最后研究了不同翅片高度下,加热功率对金属-聚合物复合散热器散热性能的影响规律。2.在研究金属-聚合物复合式微结构散热优化结构的基础上,研究了复合式翅片中金属与聚合物接触面情况、聚合物基板厚度、微结构尺寸参数和微结构的放置方式对散热性能的影响。3.基于对复合式散热器和复合式微结构散热翅片的研究,建立了金属-聚合物复合式微结构散热器模型。基于平直式散热器,研究了微结构形式、基板材料和微结构放置形式对复合式微结构散热器散热性能的影响。基于放射式散热器,研究了材料以及导热圆柱结构对散热性能的影响。4.本文根据模拟结果设计、加工出了不同尺寸的聚合物散热器以及三种不同翅片结构的复合式散热器,并利用所设计测试平台对这几种散热器进行性能测试。研究结果表明：1.对于金属-聚合物复合式散热器,当翅片高度为50mm时,热源平均温度最低,为52.36℃；当翅片厚度和间距分别为1.5和2.5mm时,对流换热系数存在最大值,分别为32.57和31.93 W/(mm2K)。2.结合面为三角形截面的散热器两接触面的温度差最小,为0.18℃。复合式微结构散热结构竖直放置时,散热性能最好。3.金属-聚合物复合式微结构散热器(温度为51.13℃)比金属铝散热器(温度为53.29℃)具有更好的散热性能。金属-聚合物复合式微结构散热器可以取代金属散热器用于CPU散热中。4.对于翅片间距为2mm的散热器,风扇的转速应为2680rpm。
【关键词】：翅片高度 复合式散热器 CPU散热器 散热性能
【学位授予单位】：北京化工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TP303
【目录】：

• 摘要4-6
• ABSTRACT6-17
• 符号表17-20
• 第一章 绪论20-26
• 1.1 研究背景及意义20
• 1.2 国内外研究进展20-24
• 1.2.1 CPU散热器的国内外研究进展21-23
• 1.2.2 微结构散热器的流动与传热特性的研究进展23-24
• 1.3 研究内容及创新点24-26
• 1.3.1 研究内容24
• 1.3.2 创新点24-26
• 第二章 散热器散热机理研究及理论计算26-38
• 2.1 本文所研究的散热器的散热模型26
• 2.2 散热器的导热问题26-30
• 2.2.1 金属底板的导热26-28
• 2.2.2 翅片的导热28-30
• 2.3 散热器的对流换热与辐射换热30-31
• 2.3.1 对流换热机理30-31
• 2.3.2 辐射换热机理31
• 2.4 湍流流动换热机理31-34
• 2.4.1 湍流微分方程32
• 2.4.2 湍流模型32-34
• 2.5 金属-聚合物复合式散热器的热阻计算34-37
• 2.5.1 复合式翅片的导热热阻计算及复合导热系数35-36
• 2.5.2 散热器的总热阻36-37
• 2.6 本章小结37-38
• 第三章 金属-聚合物复合式散热器的性能分析及结构优化38-60
• 3.1 聚合物散热器的性能分析38-43
• 3.1.1 不同翅片材料和翅片厚度下翅片高度对散热性能的影响38-41
• 3.1.2 不同翅片间距和材料下翅片高对散热性能的影响41-43
• 3.2 翅片参数对金属-聚合物复合式散热器散热性能的影响43-50
• 3.3 加热功率和材料参数对散热器散热性能的影响50-55
• 3.3.1 不同翅片高度下加热功率对散热性能的影响50-53
• 3.3.2 导热系数和辐射系数对散热性能的影响53-55
• 3.4 金属-聚合物复合式散热器的结构优化55-58
• 3.4.1 翅片结构的优化设计55-57
• 3.4.2 翅片开孔数量对散热性能的影响57-58
• 3.5 本章小结58-60
• 第四章 金属-聚合物复合式翅片的性能分析60-78
• 4.1 金属-聚合物复合式微结构散热结构的模型60
• 4.2 复合式翅片的微结构表面结构和参数对散热性能的影响60-69
• 4.2.1 微结构表面粗糙度对散热性能的影响60-61
• 4.2.2 不同基板厚度下聚合物的导热系数对散热性能的影响61-63
• 4.2.3 金属-聚合物复合式翅片的散热量计算63-69
• 4.2.3.1 不同材料下散热结构的散热量64
• 4.2.3.2 微结构参数对散热量的影响64-68
• 4.2.3.3 聚合物的导热系数对散热量的影响68-69
• 4.3 金属与聚合物接触面情况及功率对散热性能的影响69-72
• 4.4 金属-聚合物复合微结构结构的方向敏感性研究72-75
• 4.5 本章小结75-78
• 第五章 应用于CPU的金属-聚合物微结构散热器的性能分析78-90
• 5.1 基于平直式散热器的复合微结构CPU散热器的结构设计及性能研究78-83
• 5.1.1 微结构的结构形式对散热性能的影响78-80
• 5.1.2 金属基板的材料对散热性能的影响80-81
• 5.1.3 微结构的放置方式对换热性能的影响81-83
• 5.2 基于放射状散热器的复合微结构CPU散热器的结构设计及性能研究83-87
• 5.2.1 散热器模型的建立83-84
• 5.2.2 材料对散热性能的影响84-85
• 5.2.3 导热圆柱结构对散热性能的影响85-87
• 5.3 金属-聚合物复合微结构CPU散热器与金属散热器的性能比较87-88
• 5.4 本章小结88-90
• 第六章 CPU散热器的实验研究及性能测试90-104
• 6.1 实验目的90
• 6.2 实验台搭建及实验原理90-91
• 6.3 实验结果及分析91-103
• 6.3.1 聚合物CPU散热器的性能测试91-94
• 6.3.2 翅片高度对散热性能影响的测试94-95
• 6.3.3 不同翅片结构对散热性能的影响的测试95-98
• 6.3.4 不同风扇转速对散热性能影响的测试分析98-100
• 6.3.5 不同风扇转速下加热功率对散热性能的影响的测试100-103
• 6.4 本章小结103-104
• 第七章 结论与展望104-108
• 7.1 结论104-105
• 7.2 展望105-108
• 参考文献108-112
• 致谢112-114
• 研究成果及发表的学术论文114-116
• 作者与导师简介116-117
• 附件117-118

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前10条

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本文编号：818446