應(yīng)用icepak分析強(qiáng)迫風(fēng)冷散熱器
歐關(guān)懷
信息產(chǎn)業(yè)部電子二十九研究所
摘要 本文介紹了應(yīng)用icepak、Qfin等軟件對一個(gè)強(qiáng)迫風(fēng)冷散熱器進(jìn)行計(jì)算、仿真分析、優(yōu)化的過程和結(jié)果。
1 引言
本文所敘述的風(fēng)冷散熱器，總功率為500W，設(shè)計(jì)進(jìn)風(fēng)溫度為50℃，要求冷板最高點(diǎn)溫度≤85℃，由于條件較苛刻，因此對散熱器設(shè)計(jì)提出了較高的要求。
我們首先用一般數(shù)學(xué)計(jì)算方法（借助計(jì)算機(jī)）對散熱器進(jìn)行計(jì)算，得到較佳的散熱器參數(shù)（散熱齒高度、厚度、間距）及需要的風(fēng)量，初選風(fēng)機(jī)；然后用專業(yè)熱分析軟件icepak建立模型、進(jìn)行仿真分析；最后用了散熱器優(yōu)化軟件Qfin對散熱器進(jìn)行了優(yōu)化，再根據(jù)優(yōu)化結(jié)果，確定散熱器參數(shù)。本文敘述了對散熱器進(jìn)行分析、優(yōu)化的過程和結(jié)果，通過這些軟件的綜合應(yīng)用、相互映證，可以提高計(jì)算精度、優(yōu)化結(jié)構(gòu)參數(shù)，使散熱器滿足設(shè)計(jì)要求，并盡量達(dá)到最佳的散熱效果，提高設(shè)備可靠性。
2 組成與結(jié)構(gòu)
散熱器的組成與結(jié)構(gòu)如圖1所示。
圖1 散熱器結(jié)構(gòu)
該散熱裝置主要由以下部分組成：發(fā)熱器件兩個(gè)，散熱器，風(fēng)機(jī)兩個(gè)，通風(fēng)風(fēng)道。
處于散熱器上面的為發(fā)熱器件1，總功率為400W，主要集中在前面，即前面部分360W，其余部分40W；處于散熱器下面的為發(fā)熱器件2，功率100W，均勻分布。
3 確定散熱器基本參數(shù)
根據(jù)已知條件、借助經(jīng)驗(yàn)設(shè)定散熱器尺寸參數(shù)、風(fēng)機(jī)風(fēng)量，通過公式對散熱器性能進(jìn)行計(jì)算，可得到散熱器基板平均溫度，然后根據(jù)計(jì)算結(jié)果調(diào)整尺寸參數(shù)及風(fēng)量，再計(jì)算，通過反復(fù)幾次計(jì)算就可以得到一組滿足散熱條件、且散熱性能較好的散熱器參數(shù)，并選定風(fēng)機(jī)。
4 icepak計(jì)算模型
根據(jù)散熱器結(jié)構(gòu)及初步計(jì)算、分析得出的散熱器參數(shù)，建立icepak計(jì)算模型如圖2所示。
Fan1
Fan2
opening
圖2 icepak計(jì)算模型
計(jì)算模型包括以下部分：
a. 熱源(sources)：發(fā)熱器件1簡化成兩個(gè)熱源，一個(gè)為360W（source 1），尺寸60mm×120mm，另一個(gè)為40W（source 2），尺寸60mm×180mm,此兩個(gè)熱源緊貼在一個(gè)塊(block 1)上，block 1緊貼在散熱器的散熱齒頂面；發(fā)熱器件2簡化成一個(gè)熱源（source 3），功率100W，尺寸150mm×330mm，緊貼散熱器基板上。
b.散熱器(heat sink)：尺寸220mm×56mm×360mm，基板厚6mm，散熱齒厚1mm，間距2mm。由于source2及source3發(fā)熱功率相對較少，所以其對應(yīng)位置散熱齒高為10mm，中間其余部分擋住，這樣可以提高空氣流速，使散熱器設(shè)計(jì)更加合理。
c. 塊(blocks)：block1為solid，緊貼在散熱器的散熱齒頂面上，厚度為6mm；block2為hollow，處于source2與source3對應(yīng)散熱齒的中間，以擋住空氣的流動(dòng)，并使散熱齒的有效高度為10mm；block3及block4同為hollow，分別位于散熱器上下面，以擋住空氣的流動(dòng)，并模擬風(fēng)道。
d.風(fēng)機(jī)（fans）：在cabinet上設(shè)有兩個(gè)風(fēng)機(jī)，由流量-壓力特性曲線定義，如圖3所示。
圖3 風(fēng)機(jī)特性曲線
e. 開口（opening）：在cabinet上設(shè)方形opening一個(gè)。
在建立模型后，就可以進(jìn)行網(wǎng)格劃分了，該模型劃分的單元數(shù)和節(jié)點(diǎn)數(shù)分別為：440829、477357。
5 計(jì)算結(jié)果
a. 溫度分布
圖3 source1、source2安裝面溫度分布
圖3 source3安裝面溫度分布
圖3 散熱器截面面溫度分布
b.壓力分布
圖4 壓力分布
c. 速度
圖5 速度分布
d.只用一個(gè)風(fēng)機(jī)的情況
在所有參數(shù)均不變的情況下，將兩個(gè)風(fēng)機(jī)改為一個(gè)風(fēng)機(jī)，計(jì)算結(jié)果如下：
圖6 一個(gè)風(fēng)機(jī)時(shí)source1、source2及source3安裝面溫度分布
圖8 一個(gè)風(fēng)機(jī)時(shí)壓力及速度分布
6 Qfin 分析
由于source1的溫度是我們設(shè)計(jì)的關(guān)鍵，所以應(yīng)用了散熱器專用優(yōu)化軟件對source1部分散熱器Qfin進(jìn)行優(yōu)化。根據(jù)icepak計(jì)算結(jié)果可知：對source1起作用的部分散熱器尺寸為長220、寬180、齒高38，散熱齒槽內(nèi)空氣流速8.458m/s,輸入這些條件即可對散熱器參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，結(jié)果如下：
QFin Report
優(yōu)化前參數(shù)：
Average fin height : 38.000 mm
Average fin thickness : 1.000 mm
Average gap size: 2.034 mm
Base temperature: 72.96 C (22.96 C above ambient)
優(yōu)化結(jié)果：
General
Filename :
Description : New assembly
Report date : 2001-7-31
Heat sink
Profile: 29-38
Branches : 61
Blocks : 179
Elements : 3289
Materials : 180
Surface color: 0.46
Length : 200.000 mm
Orientation : Base horizontal with fins upwards
Extrusion type : Regular uniform
Average fin height : 38.514 mm
Average fin thickness : 1.185 mm
Average gap size: 1.845 mm
Ambient Conditions
Air temperature : 50.00 C
Surrounding wall temp : 50.00 C
Ambient pressure: 101.325 KPa
Convection Details
Convection type : Forced
Air flow determination: ducted fan
Flow rate : 34.81316 l/s
Air speed in fin gaps : 8.423 m/s
Radiation included : Yes
Approx. pressure drop : 162.96 Pa
Heat transfer coeff. : 36.92990 W/m^2 K
Solver Options
Maximum iterations : 5000
Minimum iterations : 500
Convergence criteria : 1.0000
Relaxation factor : 1.20
Inner loops : 10
Solution
Date: 2001
Heat source 1
Description : 29s1
Dimensions: 120.000 x 60.000 mm
Location : Centered at 88.466,99.945 mm
Orientation : Horizontal
Average load : 360.00 Watt
Base temperature: 71.16 C (21.16 C above ambient)
Junction temperature : 71.16 C
Heat sink
Thermal resistance: 0.046 C/W
Maximum thermal resistance : 0.059 C/W
Temperature avg. thermal resis. : 0.027 C/W
Efficiency (f) : 0.83916
Average temperature of heat sink : 59.75 C (9.75 C above ambient)
Heat sink surface area : 1.00716308 m^2
Effective heat sink surface area : 0.99996308 m^2
Approximate heat sink mass : 2.16285 kg
優(yōu)化結(jié)果說明
優(yōu)化前：散熱器基板厚6mm，散熱齒厚1mm，間距2mm，Qfin計(jì)算的基板溫度為72.96℃。
優(yōu)化后：基板厚7mm，散熱齒厚1.185mm，間距1.845mm，Qfin計(jì)算的基板溫度為71.16℃。
7 計(jì)算結(jié)果應(yīng)用
從計(jì)算結(jié)果看，一個(gè)風(fēng)機(jī)時(shí)，溫度增加了約5℃，但均滿足設(shè)計(jì)要求，設(shè)計(jì)時(shí)可以根據(jù)重量、尺寸情況選用一個(gè)或兩個(gè)風(fēng)機(jī)。
從優(yōu)化情況可以看出，優(yōu)化后散熱器最高溫度降低了約2℃，所以設(shè)計(jì)時(shí)可根據(jù)加工工藝情況采用優(yōu)化結(jié)構(gòu)尺寸。
參考文獻(xiàn)
1. 電子設(shè)備可靠性熱設(shè)計(jì)手冊 GJB/Z 27-92 國防科工委軍標(biāo)發(fā)行部出版
2. 傳熱手冊 德國工程師協(xié)會(huì)工藝與化學(xué)工程學(xué)會(huì)編 化工部六院譯 化學(xué)工業(yè)出版社出版
Icepak資料下載: FLUENT第一屆中國用戶大會(huì)論文集33-40.pdf
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