应用Icepak分析强迫风冷散热器

2014-3-14 15:44| 发布者: chenl| 查看: 4655| 评论: 0|来自: FLUENT第一届中国用户大会

摘要: 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。

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。

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                  : 2001Aê7OA31EO (IAIC 04:02:36)
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。

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