2015年44卷第1期張娜等——金屬-導(dǎo)熱塑料復(fù)合散熱器的散熱分析金屬-導(dǎo)熱塑料復(fù)合散熱器的散熱分析張娜,吳大鳴,劉穎,劉科(北京化工大學(xué),高分子材料加工裝備教育部工程研究中心,北京10009)摘要:提出了1種用于CPU芯片散熱的金屬一導(dǎo)熱塑料復(fù)合扇形散熱器結(jié)構(gòu),該結(jié)構(gòu)將金屬良好的導(dǎo)熱性和導(dǎo)熱塑料較好的設(shè)計(jì)加工性結(jié)合起來。其中心圓柱為金屬鋁,外層的散熱翅片選用實(shí)驗(yàn)室所制備的導(dǎo)熱塑料,可通過在翅片上設(shè)計(jì)大量的微結(jié)構(gòu)來增大散熱面積,改善散熱效果。分析了各種結(jié)構(gòu)參數(shù)及翅片微結(jié)構(gòu)對(duì)散熱器散熱效果的影響。關(guān)鍵詞:散熱器;塑料;模擬; ansys;CPU中圖分類號(hào):TQ320.66文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A文章編號(hào):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隨著計(jì)算機(jī)科技的快速發(fā)展,中央處理器(CPU)的頻率的功率為100W,其中發(fā)熱功率占10%,即P"=10W。散熱器得到了很大提高,CPU芯片的功率和發(fā)熱密度快速增大,散周圍環(huán)境溫度6。=50℃,電子元件輻射等效熱流q=1500W/m2熱問題越來越受到重視。CPU散熱器是將芯片上的熱冷卻葉片高速的強(qiáng)制對(duì)流載荷h=5W/(m3.℃)。量快速導(dǎo)出的關(guān)鍵部件3。目前,主要散熱形式有:風(fēng)冷1.2散熱系統(tǒng)模型的建立及材料參數(shù)散熱,水冷散熱,半導(dǎo)體散熱和熱管散熱6。CPU的散熱主結(jié)合實(shí)際CPU芯片的散熱器結(jié)構(gòu),建立了金屬一導(dǎo)熱塑要依靠風(fēng)扇的強(qiáng)制對(duì)流帶走散熱翅片上的熱量,其中熱傳料復(fù)合扇形散熱器的三維模型,如圖1所示。從圖中可以看和熱對(duì)流是風(fēng)冷式散熱器的主要熱量傳遞方式。市場(chǎng)出,底部的小圓柱片等效為CPU芯片,材料為金屬銅,尺寸上CPU散熱器的材料一般選擇導(dǎo)熱系數(shù)很高的金屬(銅或參數(shù):r=7.5mm,h=1mm。中心圓柱的材料是金屬鋁,與鋁)9-1),而筆者針對(duì)這2個(gè)關(guān)鍵問題,提出1種金屬一中心圓柱緊密貼合翅片的材料是實(shí)驗(yàn)室所制備的尼龍66/熱塑料復(fù)合的扇形散熱器結(jié)構(gòu)。將金屬良好的導(dǎo)熱性和導(dǎo)石墨導(dǎo)熱復(fù)合材料。表1為CPU散熱系統(tǒng)各部件材料的物熱塑料良好的設(shè)計(jì)加工性結(jié)合起來,不僅能夠減輕散熱器的性參數(shù)質(zhì)量和減小成本,而且無需任何后續(xù)加工過程,注射成型可使散熱器的成型周期縮短20%~50%,提高了加工效率,便于工業(yè)化生產(chǎn)。文章選用了扇形散熱器進(jìn)行模擬并簡(jiǎn)化了散熱器結(jié)構(gòu)13-1411金屬-導(dǎo)熱塑料復(fù)合散熱器的散熱分析1.1散熱器的邊界條件基于CPU芯片的實(shí)際工作情況,對(duì)CPU的對(duì)流換熱邊(a)散熱系統(tǒng)的模型;(b)網(wǎng)格劃分結(jié)果。界條件進(jìn)行設(shè)置,散熱分析里邊界條件的具體參數(shù):CPU圖1散熱系統(tǒng)模型及網(wǎng)格劃分結(jié)果收稿日期:2014-06-09中國(guó)煤化工作者簡(jiǎn)介:張娜(1989-),女,在讀碩土研究生。CNMHG通信聯(lián)系人:吳大鳴(1957-),男,教授,博土生導(dǎo)師,主要從事精密擠出成型機(jī)理及設(shè)備、聚合物基納米復(fù)合材料制備技術(shù)方面的研究。E-mail:wudaming@vip.163.com皇料張娜等——金屬-導(dǎo)熱塑料復(fù)合散熱器的散熱分析2015年44卷第1期表lCPU散熱系統(tǒng)各部件材料的物性參數(shù)45、50、55、60、65時(shí),散熱器的最高溫度與散熱翅片數(shù)量的關(guān)系密度熱導(dǎo)率比熱/如圖3所示。部件材料(kg/m3)[W/(m2·℃)][J(kg·℃)]由圖3得到,固定其他參數(shù)時(shí),散熱器的最高溫度隨翅8920片數(shù)量的增加呈現(xiàn)出先減小后增大的趨勢(shì)。散熱翅片的數(shù)量較少時(shí),散熱器的散熱面積過小,導(dǎo)致散熱效率低下,而散中心圓柱880熱翅片的數(shù)量過多,散熱通道不通暢,大量的熱量累積在翅散熱翅片導(dǎo)熱塑料20005950片之間,這同樣也不利于散熱。因此散熱翅片的數(shù)量存在1.3最優(yōu)尺寸參數(shù)的確定個(gè)最佳值,大于或小于該值都會(huì)影響散熱器的散熱效果,使根據(jù)金屬導(dǎo)熱塑料復(fù)合散熱器結(jié)構(gòu)的三維模型,分析CPU的溫度值升高。從圖中可以看出,翅片數(shù)量最佳值N=散熱器的4個(gè)結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)其散熱效果的影響。金屬導(dǎo)熱塑料復(fù)合扇形散熱器的整體半徑為固定值30mm,D表示3)當(dāng)D=20mm、H=40mm、N=60時(shí),t分別取值0.4散熱器中心鋁制圓柱的直徑,H表示散熱器的整體高度,N0.60.8、1、12mm時(shí)散熱器的最高溫度與散熱翅片厚度的關(guān)表示散熱翅片的數(shù)量,t表示散熱翅片的厚度。采用控制系如圖4所示。變量法研究各參數(shù)對(duì)金屬導(dǎo)熱塑料復(fù)合散熱器散熱效果的影響。1)當(dāng)D=20mm、N=40、t=1mm時(shí),H分別取值15、25、30、35、40、4550mm。散熱器的最高溫度與整體高度的關(guān)系如圖2594所示。0.6片厚度/mm圖4散熱器的最高溫度與散熱器翅片厚度的關(guān)系曲線由圖4可以看出,散熱器的最高溫度隨著散熱翅片厚度的增加呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢(shì)。當(dāng)翅片厚度t=1mm時(shí),散熱器的散熱效果最好。整體高度/mn2金屬導(dǎo)熱塑料復(fù)合散熱器的優(yōu)化設(shè)計(jì)圖2散熱器的最高溫度與整體高度的關(guān)系曲線前面模擬分析了整體高度、散熱翅片數(shù)量和散熱翅片厚度3種結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)金屬-導(dǎo)熱塑料復(fù)合散熱器散熱效果的影響,得到了最佳的結(jié)構(gòu)參數(shù)數(shù)值,即當(dāng)D=20mm、H=40mm、N=60、t=1mm,散熱翅片為直肋時(shí),散熱器的散熱性能最優(yōu)。在4.2.1中所述載荷的作用下,用該散熱器散熱時(shí)CPU芯片的溫度為59558.582℃,與用鋁制散熱器散熱時(shí)CPU芯片的溫度值54.817℃僅僅相差3.765℃。因散熱翅片材料為導(dǎo)熱塑料,可利用導(dǎo)熱塑料具有很好的設(shè)計(jì)加工性來對(duì)金屬導(dǎo)熱塑料復(fù)合散熱器進(jìn)行進(jìn)一步的優(yōu)化,通過在翅片上設(shè)計(jì)大量的微結(jié)構(gòu)來增大散熱面積,增強(qiáng)散熱效果。文中設(shè)計(jì)了3種微結(jié)構(gòu),截面形翅片數(shù)量狀分別是等腰三角形、半圓形和正方形,模擬分析翅片帶有這3圖3散熱器的最高溫度與散熱翅片數(shù)量的關(guān)系曲線種微結(jié)構(gòu)時(shí)散熱器的散熱情況從圖2中得到,固定其他參數(shù)時(shí),H在12-40mm范圍內(nèi),2.1翅片帶截面為三角形微結(jié)構(gòu)散熱器的最高溫度隨高度的增加而越低,散熱器的高度從15mm圖5是散熱翅片上帶有截面為三角形微結(jié)構(gòu)的散熱器模型增大到25mm時(shí),最高溫度降低了755℃,由此可見為保證散及微結(jié)構(gòu)放大圖。微結(jié)構(gòu)的尺寸:截面為底邊等于0.2mm、高熱效果高度取值不能太小。當(dāng)H增大到40mm后,繼續(xù)增加高為0.1mm的中國(guó)煤化工為0.4mm。每個(gè)翅度對(duì)散熱器最高溫度幾乎沒有影響可見存在1個(gè)最佳高度,在片的兩側(cè)各有CNMHG個(gè)散熱翅片的散熱此高度下散熱器的最高溫度存在最小值,最佳高度H面積大約增加了20%,對(duì)該散熱器進(jìn)行散熱分析,網(wǎng)格劃分及2)當(dāng)D=20mm、H=40mm、t=1mm時(shí),N分別取值40、模擬結(jié)果見圖6,散熱器的最高溫度為57.544℃,比最優(yōu)結(jié)構(gòu)聖料015年44卷第1期張娜等—金屬-導(dǎo)熱塑料復(fù)合散熱器的散熱分析的金屬導(dǎo)熱塑料復(fù)合散熱器的最高溫度值58.582℃降低了2.3翅片帶截面為正方形微結(jié)構(gòu)1.038℃,這說明由微結(jié)構(gòu)多出的散熱面積增強(qiáng)了散熱效果。散熱翅片上帶有截面為正方形微結(jié)構(gòu)的散熱器模型及微結(jié)構(gòu)放大圖見圖9。微結(jié)構(gòu)的尺寸:截面為邊長(zhǎng)等于0.1mm的正方形,微槽之間的間距為0.2mm。每個(gè)翅片的兩側(cè)各有92條微結(jié)構(gòu),計(jì)算可知,每一個(gè)散熱翅片的散熱面積大約增加了92%,對(duì)該散熱器進(jìn)行散熱分析,網(wǎng)格劃分及模擬結(jié)果見圖10散熱器最高溫度為56.768℃,比帶半圓形微結(jié)構(gòu)翅片的散熱器最高溫度降低了0.772℃,這說明由微結(jié)構(gòu)增加的散熱面積越大,散熱器的散熱效果越好。圖5微結(jié)構(gòu)放大圖圖9微結(jié)構(gòu)放大圖圖6模擬結(jié)果(57.544℃)2.2翅片帶截面為半圓形微結(jié)構(gòu)圖7為散熱翅片上帶有截面為半圓形微結(jié)構(gòu)的散熱器模型及微結(jié)構(gòu)放大圖。微結(jié)構(gòu)的尺寸:截面為半徑等于0.1mm的半圓形,微槽之間的間距為0.4mm。每個(gè)翅片的兩側(cè)各有4條微結(jié)構(gòu),計(jì)算可知,每一個(gè)散熱翅片的散熱面積大約增加了26%,對(duì)該散熱器進(jìn)行散熱分析,網(wǎng)格劃分及模擬結(jié)果見圖8,散熱器的最高溫度為5754℃,比最優(yōu)結(jié)構(gòu)的金屬導(dǎo)熱塑料復(fù)圖10模擬結(jié)果(56.768℃)合散熱器的最高溫度值58.582℃降低了1.042℃。微結(jié)構(gòu)數(shù)3結(jié)論量相同時(shí),截面為半圓形的微結(jié)構(gòu)比三角形的散熱面積略大筆者提出了1種用于CPU芯片散熱的金屬導(dǎo)熱塑料復(fù)合CPU芯片的溫度也略低。扇形散熱器結(jié)構(gòu),該結(jié)構(gòu)將金屬良好的導(dǎo)熱性和導(dǎo)熱塑料較好的設(shè)計(jì)加工性結(jié)合起來。其中心圓柱為金屬鋁,外層的散熱翅片選用實(shí)驗(yàn)室所制備的導(dǎo)熱塑料,可通過在翅片上設(shè)計(jì)大量的微結(jié)構(gòu)來增大散熱面積,改善散熱效果。分析了各種結(jié)構(gòu)參數(shù)及翅片微結(jié)構(gòu)對(duì)散熱器散熱效果的影響,主要結(jié)論如下。1)散熱器的中心鋁制圓柱直徑D=20mm,整體高度H=40mm,散熱翅片數(shù)量N=60,散熱翅片厚度t=1mm,散熱翅片為直肋時(shí),散熱器的散熱性能最優(yōu)。載荷的作用下,用該散熱器圖7微結(jié)構(gòu)放大圖散熱CPU芯片的溫度僅為58.582℃,與用鋁制散熱器散熱時(shí)的溫度值54.817℃僅僅相差3.765℃,完全可以滿足CPU芯片散熱的需求。2)在散熱翅片上設(shè)計(jì)了3種微結(jié)構(gòu),結(jié)果表明:翅片上帶有微結(jié)構(gòu)的金屬一導(dǎo)熱塑料散熱器的散熱效果和金屬散熱器的散熱效果比較接近,可以滿足CPU芯片的散熱需求,且由微結(jié)構(gòu)增加的散熱面積散熱器的散熱效果越好。參考文獻(xiàn)中國(guó)煤化工[1]唐金沙CNMH G器散熱性能的實(shí)驗(yàn)測(cè)試圖8模擬結(jié)果(57.54℃)[]現(xiàn)代電子技術(shù),2009,299(12):115-120(下轉(zhuǎn)42頁(yè))料015年44卷第1期彩霞等——聚丙烯與聚丁烯-1共混體系的力學(xué)性能2.3對(duì)沖擊性能的影響參考文獻(xiàn):圖5是聚丁烯-1用量對(duì)共混體系沖擊強(qiáng)度的影響。從圖中[1]趙紅英,王國(guó)全,張華.納米CaCO3增韌聚丙烯的研究[].塑可以看出,隨著PB-1用量的增加,共混物的懸臂梁缺口沖擊強(qiáng)料工業(yè),2003,30(4):23-2度整體呈上升趨勢(shì),其原因是:2種半結(jié)晶性高聚物共混時(shí),大[2]李國(guó)林,吳水珠,曾鈁,高抗沖高模量聚丙烯的研究進(jìn)展[J]分子鏈相互干擾,聚丙烯和PB-1的結(jié)晶完善程度均受到破壞,合成材料老化與應(yīng)用,2009,38(4):40-43使其在室溫時(shí)的脆性下降,從而提高了材料的韌性51"3[3]洪定一.聚丙烯原理工藝與技術(shù)[M].北京:中國(guó)石化出版社024]宋賽楠,曹庚振,王霞,劉強(qiáng),賈軍紀(jì).聚丙烯塑料的改性研究J].塑料工業(yè),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。圖5聚丁烯1用量對(duì)共混體系沖擊強(qiáng)度的影響[7]劉建橋,姚薇,陳占勛,黃寶琛.聚丁烯1改性PP的研究[J].現(xiàn)當(dāng)PB-1用量達(dá)到30份時(shí),相對(duì)于純PP075、PP726、代塑料加工應(yīng)用,2010,22(3):22-23PP8003、PP30R、SP179而言,共混物的沖擊強(qiáng)度分別提高了[8]楊金興,喬輝,史翎.國(guó)內(nèi)外聚丁烯-1的研究進(jìn)展[J].塑料145%、11%、29%、193%、和0。其中SP179和PP8003與PB-1共混物的沖擊強(qiáng)度基本沒多大變化是因?yàn)檫@2種聚丙烯本身9]黃佃平,江云濤,胡紅旗,姚薇,黃寶琛PBPP共混體系力學(xué)性能和結(jié)晶性能的研究[].塑料,2008,37(2):33-36的沖擊強(qiáng)度就與純PB-1的沖擊強(qiáng)度相當(dāng)。而PP7726的熔體流[ 10] A Siegmann. Crystalline/crystalline polymer blends: Some structure-動(dòng)速率約是PB-1的110倍,二者的流動(dòng)性差別太大,在熔融共property relationships [J]. Jourmal of Applied Polymer Science混時(shí),相容性相對(duì)較差,共混后沖擊性能改善不大。1979,24:2333-23453結(jié)論[1]劉國(guó)棟,楊麗庭,王廣德,李燕芳,高俊剛聚合物二元共混物1)PB-1對(duì)聚丙烯具有明顯的增韌改性效果,隨著共混物中拉伸強(qiáng)度混合規(guī)則的改進(jìn)模型[J].高分子學(xué)報(bào),2000(6):795-PB-1含量的增加,共混物的斷裂伸長(zhǎng)率呈現(xiàn)先升高后下降的趨勢(shì);沖擊強(qiáng)度呈明顯上升趨勢(shì),分別增加了11%到193%不等,[12 Mao-Song Lee, Show-An Chen, Synergism on tensile properties of其中PB-1對(duì)均聚PP075和共聚PP3OR的共混增韌改性效果較injection molded polybutene-1/polypropylene blends [ J]. PolymerEngineering and Science, 1993, 33(11): 686-699好2)隨著共混體系中PB1含量的增加P/PB1共混物的拉[13]嚴(yán)海彪,邵禹通,陳海,程思怡.B成核劑對(duì)PR結(jié)晶行為和性能的影響[J].塑料,2013,42(5):49-51伸強(qiáng)度、彎曲強(qiáng)度和彎曲性能均呈下降趨勢(shì),且均聚PP/PB-1共(本文編輯LYZ)混物的性能下降速率明顯大于與共聚PP/PB-1的共混物。(上接82頁(yè))微計(jì)算機(jī)信息,2008,24(4):239-240.2]張建臣,C門U風(fēng)冷散熱器散熱性能分析與研究[J]福建電腦,[9]耿德軍,胡艷CPU散熱片結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[J].沈陽(yáng)理工大學(xué)學(xué)報(bào)2011,30(1):82-84[3]陳林杜小澤,林俊,等,導(dǎo)熱塑料在換熱器中的應(yīng)用[冂].塑料,[10]周建輝,楊春信.CPU散熱器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與熱分析[]電子機(jī)械工2013,42(6):28-30程,2006,22(6):26-29[4]趙幸.塑料部件制造中的新型導(dǎo)熱材料[冂].化工新型材料,[胡艷郭廣思,尚新泉.CPU散熱數(shù)值模擬分析[』]制冷技術(shù),2002,30(2):27,52009,37(9):60-65[5]李士賢.聚丙烯塑料換熱器.[冂.化工進(jìn)展,1985,12(6):29-[12]陳占秀,孫春華,周澤平.CPU散熱器數(shù)值模擬分析及其材料選擇的研究[冂].河北工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),2008,37(1):86-89.[6]胡艷.CPU散熱片的設(shè)計(jì)及模擬[D].沈陽(yáng):沈陽(yáng)理工大學(xué),[13]季騰騰中國(guó)煤化工磁輻射仿真分析[J]電子科[7]張雁楠楊旖莎,李篤信,等.石墨改性PA46導(dǎo)熱復(fù)合材料的性[14]陸正裕CNMHG換熱特性的實(shí)驗(yàn)研究能[J].塑料,2014,43(1):67-70[].工程熱物理學(xué)報(bào),2004,25(5):861-863[8]陳進(jìn),付建玲,劉驍,等.CPU界面?zhèn)鳠徇^程熱接觸模型研究[](本文編輯LYZ)