應(yīng)用icepak分析強迫風(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等軟件對一個強迫風(fēng)冷散熱器進(jìn)行計算、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)計進(jìn)風(fēng)溫度為50℃，要求冷板最高點溫度≤85℃，由于條件較苛刻，因此對散熱器設(shè)計提出了較高的要求。

我們首先用一般數(shù)學(xué)計算方法（借助計算機(jī)）對散熱器進(jìn)行計算，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，可以提高計算精度、優(yōu)化結(jié)構(gòu)參數(shù)，使散熱器滿足設(shè)計要求，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，散熱器，風(fēng)機(jī)兩個，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)行計算，可得到散熱器基板平均溫度，然后根據(jù)計算結(jié)果調(diào)整尺寸參數(shù)及風(fēng)量，再計算，通過反復(fù)幾次計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計算模型

根據(jù)散熱器結(jié)構(gòu)及初步計算、分析得出的散熱器參數(shù)，建立icepak計算模型如圖2所示。

 

Fan1

Fan2

opening

圖2  icepak計算模型

計算模型包括以下部分：

a. 熱源(sources)：發(fā)熱器件1簡化成兩個熱源，一個為360W（source 1），尺寸60mm×120mm，另一個為40W（source 2），尺寸60mm×180mm,此兩個熱源緊貼在一個塊(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，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，并模擬風(fēng)道。

d.風(fēng)機(jī)（fans）：在cabinet上設(shè)有兩個風(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。

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)點數(shù)分別為：440829、477357。

5　計算結(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.只用一個風(fēng)機(jī)的情況

在所有參數(shù)均不變的情況下，將兩個風(fēng)機(jī)改為一個風(fēng)機(jī)，計算結(jié)果如下：

圖6  一個風(fēng)機(jī)時source1、source2及source3安裝面溫度分布

 

 

圖8  一個風(fēng)機(jī)時壓力及速度分布

6　Qfin 分析

由于source1的溫度是我們設(shè)計的關(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計算的基板溫度為71.16℃。

7　計算結(jié)果應(yīng)用

從計算結(jié)果看，一個風(fēng)機(jī)時，溫度增加了約5℃，但均滿足設(shè)計要求，設(shè)計時可以根據(jù)重量、尺寸情況選用一個或兩個風(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)計時可根據(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)會工藝與化學(xué)工程學(xué)會編 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論文集33-40.pdf

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