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
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/(m2·K)。 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。
散热器;金属-聚合物复合微结构;换热机理;中央处理器
北京化工大学
硕士
机械工程
庄俭
2016
中文
TK172
118
2017-01-03（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）