【Flotherm系列】热管对我的CPU散热设计有用吗？

在研究如何优化散热器设计，以冷却我当前开发模型中的CPU时，一个常见的办法是将热管与散热器底座集成在一起。这些设计起初看起来相当复杂，随着深入研究，其中的热力学变得有趣起来。

热管基本原理是将一个空管连接到热源，其中的液体（此案例中是水）的蒸发使流体升温，变成蒸汽并朝着较冷的冷凝器端移动。一旦达到冷凝器，蒸汽冷却下来，变成液体并开始朝着蒸发器端移动，形成循环。这对于将热量从CPU等关键部件传递出去非常有效，并且在室温下运行，因为热管是真空的，因此不含空气，只有蒸汽。

虽然这在理论上非常好，但这能否被建模用于电子冷却仿真呢？

答案是肯定的，使用Simcenter Flotherm XT就可以实现。这需要进一步的研究，尤其是一些计算。

热管特性允许将任何管道几何形状建模为热管。给定的两个参数是有效热阻和最大传热值。最初我对从哪里找到合适的值感到困扰。经过一些研究并咨询有经验的同事后，我找到了先计算有效热阻的方法。

热管属性页面

首先，我创建了铜热管、铜块以及铝板的几何形状，然后将它们组装在一起，形成散热器。进行了几次迭代后，最终决定采用下面这个设计，以适应周围的外壳。

在CAD软件中创建的散热器

通过使用Celsia Inc的热管计算器，根据网站上的说明测量了蒸发器长度和冷凝器长度，以确定有效热导率。输入这些值后，我得到了一个基于所用管道厚度的有效热导率表。我将我的直径为4mm的管道与4mm列下给出的值相匹配，得到了一个可用的数值。

有了这个数值，我可以使用以下公式计算有效热阻：

• Reff = L / Keff A
• L =热管长度
• Keff = 有效热导率（给定）
• A = 管道横截面面积

对于管道，我假设厚度为0.5mm，并将用它计算横截面面积。计算得到的Reff值为0.86 K/W，这是一个合理的估计。

一旦计算出这个值，最大传热量就可以直接从Celsia提供的功率与角度的关系图中获取。由于散热器的方向是垂直于重力效应的，既不受重力的加持也不受阻碍，所以我将4mm热管对应到0度方向。从这个图表中，我得到了36W的值。

各种管径的功率与角度关系图示例

计算了所有数值之后，我得以用新的散热器替换旧的散热器设置并进行求解。在第一次初始求解之后，我决定让散热器绕轴旋转，使得空气流经散热器并被抽出到CPU背后的出风风扇。这样能最大程度地降低了CPU的温度。

新散热器和风扇的最终模型

通过这次迭代，最终的最高温度为60.8°C，比原始模型降低了2.2度，考虑到只更改了散热器，这是一个很好的改进。

在实际应用中，这种改进将使CPU能够以更高的功率运行更长时间，而无需担心过热或对芯片造成长期损害。

关于坤道

上海坤道成立于2009年，前身为英国Flomerics公司中国代表处，现为西门子工业软件（原Mentor Graphics公司）在中国大陆的授权金牌/专家（Expert Partner）合作伙伴。一直以来，坤道专注于热仿真和热测试领域，为电子半导体、汽车、航天航空等行业提供Simcenter FloEFD/Flotherm Flexx/Flomaster等流体传热仿真软件解决方案和Simcenter T3STER热阻测试、Simcenter POWERTESTER功率循环测试、SanjSCOPETM 反射率热成像系统等硬件解决方案，具备资深专业、经验丰富的技术团队提供产品销售、项目咨询、夹具定制和技术培训等服务。目前，坤道公司已为400多家企业与机构提供热仿真&热测试解决方案和应用实践落地。如果您对热仿真及热测试解决方案感兴趣，请与我们联系。

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