CPU芯片熱電冷卻系統傳熱過程仿真與優化

沈佳楚

【摘要】本文針對熱電制冷機理及其用于電子元器件熱管理，從實驗研究和數值模擬兩個方面著手，對目前熱電制冷技術用于芯片冷卻的國內外研究進展進行了詳細的報道，并對今后電子元器件應用熱電制冷技術進行散熱提出了一些建議。在本文中模擬了一種風冷式熱電制冷器，分析出穩態下，電流參數的改變，對CPU的表面溫度以及TEC的制冷系數的影響，目的是優化熱電制冷器的運行和結構參數。

【關鍵詞】熱電制冷；數值模擬；CPU冷卻；優化設計

中圖分類號：TK12

文獻標識碼：A

文章編號：1006-0278（2015）04-092-02

隨著電子元器件封裝集成度的迅速提高而使得體積的不斷縮小，以及其性能和速度的不斷提高，芯片的能耗和發熱量也隨著不斷增大。因此這對高性能冷卻技術提出了迫切要求，也體現了熱電冷卻CPU實際應用的廣闊市場空間。熱電制冷作為一種新型的制冷技術，具有無需制冷劑和機械部件、輕便、無噪音、能實現溫度精確控制等優點，特別適合應用于電子元器件的冷卻散熱。國內外學者己從各個不同角度出發，對熱電制冷理論進行了研究，并取得了一系列有意義的成果。而ANSYS有限元分析軟件是一個融結構、熱、流體、電磁、聲學等分析為一體的大型、通用的有限元軟件。

熱電制冷作為一種新型的制冷技術，具有無需制冷劑和機械部件、輕便、無噪音、能實現溫度精確控制等優點，特別適合應用于電子元器件的冷卻散熱。國內外學者己從各個不同角度出發，對熱電制冷理論進行了研究，并取得了一系列有意義的成果。本文針對熱電制冷機理及其用于電子元器件熱管理，從實驗研究和數值模擬兩個方面，對目前熱電制冷技術用于芯片冷卻的國內外研究進展進行了詳細的報道；并對今后電子元器件應用熱電制冷技術進行散熱提出了一些建議。

一、實驗件介紹

本次模擬實驗選用的CPU芯片為AMD速龍64×25200+，散熱器選用6063T5鋁合金，實驗所選擇的導熱硅脂的導熱系數是4.OW/mK，抗電壓擊穿值在4000伏以上，本身具有一定的柔韌性，很好的貼合功率器件與散熱鋁片或機器外殼間的從而達到最好的導熱及散熱目的，符合目前電子行業對導熱材料的要求。

二、模型建立

為了簡單起見，模擬的熱電制冷器模型做了如下假設：

1.熱電對的兩臂具有相同的熱導率，相同的電阻率，大小相等符號相反的溫差電動勢率，兩臂的截面積和長度也相等；2.熱電臂的導熱只沿長度方向，橫向不考慮熱傳導及熱損失；3.忽略陶瓷片，金屬連接片及熱電臂冷熱端接觸熱阻的影響；4.忽略湯姆遜效應的影響；5.忽略熱電模塊熱端與散熱器的接觸熱阻，冷端與導熱鋁塊之間的接觸熱阻的影響；6.計算區域六面體的每個面都設置為開口，即整個風冷模型與大氣相通。

三、數值模擬分析

（一）建模

首先定義單元屬性。根據第二章中建立的模型的形狀、尺寸、載荷的形式綜合考慮，選擇SOLID70單元類型進行熱分析，以得到相應的穩態溫度場。實常數在這里不需定義，材料屬性則根據第二章所給的各種材料，分別定義各材料的穩態導熱系數。

然后導入幾何模型。由于在ANSYS里面建立幾何模型相對麻煩，本次模擬是通過UG來建模，然后導入ANSYS里面。

最后是進行網格劃分，除了散熱翅片采用自由劃分外，其它部件采用面劃分映射網格。對于給面劃分網格時，面需要滿足的條件有：此面必須由3或4條線圍成，在對便上必須由相等的單元劃分數；或者可以采用拾取一個面的3或4個角點來進行面映射網格劃分。

（二）加載計算

這里給出簡化模型后所需要的參數計算公式：

熱電材料的塞貝克常數：

對流換熱系數：h-40W/m2/K（熱沉），h-lOW/m2/K（其它）

環境溫度：300K

經過計算，得出本次模擬需要加載的參數如表1所示。

（三）求解

對于穩態熱分析，可以使用POST1進行后處理。下面給出輸入電流I-2A下的模擬結果，如圖1所示。

四、數據處理與分析

本次基于所選模型（T1278的TEC制冷片應用于型號為AMD速龍64×25200+的CPU芯片）的數值模擬，其結果在表2中給出。由表可得，隨著通過TEC的電流值的增加，TEC的致冷能力增強，使得CPU能被充分冷卻。在考慮到CPU的最佳運行溫度、TEC的經濟性能或COP、結露等因素，可以得出輸給TEC電流值范圍在1.8A-2.4A內較合適。

五、結論

半導體致冷應用于電腦芯片的冷卻，會使計算機運行性能得到很大的提高。在考慮經濟性和實用性的方面，對于不同功率下的芯片進行數值模擬分析，以求得效益最大的制冷片TEC-CPU組合對。本次模擬在給定的模型中，得出了型號為T1278的TEC制冷片應用于型號為AMD速龍64×25200+的CPU芯片中，能效比和經濟性最優的電流值是在1.8A-2.4A的范圍內。

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