应用icepak分析强迫风冷散热器

欧关怀

信息产业部电子二十九研究所

摘要  本文介绍了应用icepak、Qfin等软件对一个强迫风冷散热器进行计算、仿真分析、优化的过程和结果。

1　引言

本文所叙述的风冷散热器，总功率为500W，设计进风温度为50℃，要求冷板最高点温度≤85℃，由于条件较苛刻，因此对散热器设计提出了较高的要求。

我们首先用一般数学计算方法（借助计算机）对散热器进行计算，得到较佳的散热器参数（散热齿高度、厚度、间距）及需要的风量，初选风机；然后用专业热分析软件icepak建立模型、进行仿真分析；最后用了散热器优化软件Qfin对散热器进行了优化，再根据优化结果，确定散热器参数。本文叙述了对散热器进行分析、优化的过程和结果，通过这些软件的综合应用、相互映证，可以提高计算精度、优化结构参数，使散热器满足设计要求，并尽量达到最佳的散热效果，提高设备可靠性。

2　组成与结构

散热器的组成与结构如图1所示。

图1 散热器结构

该散热装置主要由以下部分组成：发热器件两个，散热器，风机两个，通风风道。

处于散热器上面的为发热器件1，总功率为400W，主要集中在前面，即前面部分360W，其余部分40W；处于散热器下面的为发热器件2，功率100W，均匀分布。

3　确定散热器基本参数

根据已知条件、借助经验设定散热器尺寸参数、风机风量，通过公式对散热器性能进行计算，可得到散热器基板平均温度，然后根据计算结果调整尺寸参数及风量，再计算，通过反复几次计算就可以得到一组满足散热条件、且散热性能较好的散热器参数，并选定风机。

4　icepak计算模型

根据散热器结构及初步计算、分析得出的散热器参数，建立icepak计算模型如图2所示。

 

Fan1

Fan2

opening

图2  icepak计算模型

计算模型包括以下部分：

a. 热源(sources)：发热器件1简化成两个热源，一个为360W（source 1），尺寸60mm×120mm，另一个为40W（source 2），尺寸60mm×180mm,此两个热源紧贴在一个块(block 1)上，block 1紧贴在散热器的散热齿顶面；发热器件2简化成一个热源（source 3），功率100W，尺寸150mm×330mm，紧贴散热器基板上。

b.散热器(heat sink)：尺寸220mm×56mm×360mm，基板厚6mm，散热齿厚1mm，间距2mm。由于source2及source3发热功率相对较少，所以其对应位置散热齿高为10mm，中间其余部分挡住，这样可以提高空气流速，使散热器设计更加合理。

c. 块(blocks)：block1为solid，紧贴在散热器的散热齿顶面上，厚度为6mm；block2为hollow，处于source2与source3对应散热齿的中间，以挡住空气的流动，并使散热齿的有效高度为10mm；block3及block4同为hollow，分别位于散热器上下面，以挡住空气的流动，并模拟风道。

d.风机（fans）：在cabinet上设有两个风机，由流量-压力特性曲线定义，如图3所示。

图3 风机特性曲线

e. 开口（opening）：在cabinet上设方形opening一个。

在建立模型后，就可以进行网格划分了，该模型划分的单元数和节点数分别为：440829、477357。

5　计算结果

a. 温度分布

图3  source1、source2安装面温度分布

图3  source3安装面温度分布

图3  散热器截面面温度分布

b.压力分布

图4 压力分布

 

c. 速度

图5 速度分布

d.只用一个风机的情况

在所有参数均不变的情况下，将两个风机改为一个风机，计算结果如下：

图6  一个风机时source1、source2及source3安装面温度分布

 

 

图8  一个风机时压力及速度分布

6　Qfin 分析

由于source1的温度是我们设计的关键，所以应用了散热器专用优化软件对source1部分散热器Qfin进行优化。根据icepak计算结果可知：对source1起作用的部分散热器尺寸为长220、宽180、齿高38，散热齿槽内空气流速8.458m/s,输入这些条件即可对散热器参数进行优化，结果如下：

 

QFin Report

优化前参数：

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)

优化结果：

 

 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

优化结果说明

优化前：散热器基板厚6mm，散热齿厚1mm，间距2mm，Qfin计算的基板温度为72.96℃。

优化后：基板厚7mm，散热齿厚1.185mm，间距1.845mm，Qfin计算的基板温度为71.16℃。

7　计算结果应用

从计算结果看，一个风机时，温度增加了约5℃，但均满足设计要求，设计时可以根据重量、尺寸情况选用一个或两个风机。

从优化情况可以看出，优化后散热器最高温度降低了约2℃，所以设计时可根据加工工艺情况采用优化结构尺寸。

 

参考文献

1.  电子设备可靠性热设计手册  GJB/Z 27-92  国防科工委军标发行部出版

2.  传热手册  德国工程师协会工艺与化学工程学会编 化工部六院译 化学工业出版社出版

Icepak资料下载:  FLUENT第一届中国用户大会论文集33-40.pdf

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