手机微信:13704813968

应用icepak分析强迫风冷散热器

晨怡热管 信息产业部电子二十九研究所 欧关怀 2008/1/20 2:05:54

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。

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。

 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                  : 2001Äê7ÔÂ31ÈÕ (ÏÂÎç 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。

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

 

责任编辑: banye 参与评论