基于Icepak仿真的散熱器優化設計

蔡　煜，董夢龍，張　偉（武漢船用電力推進裝置研究所，武漢430064）

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基于Icepak仿真的散熱器優化設計

蔡煜，董夢龍，張偉
（武漢船用電力推進裝置研究所，武漢430064）

摘要：發熱器件通過與散熱器表面接觸，將溫度迅速傳遞到大面積的散熱翅片上，然后由翅片間高速的常溫氣流吸收后帶走，形成一條散熱通道，保證發熱器件在工作中始終處于適宜的器件溫度。通過不斷優化設計風冷散熱器的翅片參數，如：翅片厚度，翅片高度，翅片長度等來尋找到理想的設計參數，并以此來提高風冷散熱器的散熱效果，以便能在減小風冷散熱器體積的情況下獲得相似的散熱效果，提高整個電子設備的功率密度。

關鍵詞：風冷散熱器優化設計參數

0　引言

進入21世紀以來，隨著科學技術的不斷發展，電子設備呈現出功能越來越復雜，性能越來越強大的發展趨勢，并且這種發展趨勢越來越快地影響著人們的日常工作生活。而電子設備內功能單一的低功率器件迅速被功能強大的高功率器件所替代，這就使得原本只需要自然冷卻的電子發熱器件越來越依靠強迫風冷所創造的溫度環境才能長久的正常工作，因此這些發熱器件的散熱問題愈發重要，如果在其工作時出現散熱不足的情況，功率器件輕則壽命減少，重則直接報廢，并引起一系列連鎖反應，造成重大損失，而高效風冷散熱器的存在使得這一問題得到有效解決。

1　風冷散熱器設計參數

影響風冷散熱器散熱效果的主要因素有：功率器件與風冷散熱器的接觸面積，風速，散熱器材質，散熱器基板的厚度和翅片的散熱表面積等。其中與散熱器本身相關的是其材質和尺寸參數，因此我們可以在一定風量，確定的功率器件與風冷散熱器接觸面積以及風冷散熱器材質的基礎上，對散熱器的各項尺寸進行仿真，得到其在某個方向上的趨勢圖，并通過結果對單項尺寸對風冷效果的影響因子的分析，相互耦合仿真結果，得到優化風冷散熱器的設計趨勢。

而對于強迫風冷的計算模型中，對冷卻效果具有直接影響的是熱阻和散熱面積。翅片的形狀、長度、厚度、高度和間距的變化均會對散熱面積產生影響，對于流體與散熱器的換熱也有直接影響，如流體在槽內紊流換熱準則方程為：其中f表示定性溫度取流體的平均溫度，特征尺寸取管子的內徑或當量直徑；

同樣當流體在槽內層流時的換熱準則方 程為：

圖1　風冷散熱器與功率器件

為了使仿真試驗能夠獲得有效的試驗數據，在簡化仿真模型的時候盡量使模型接近實際的使用狀況，合理地設置邊界條件非常重要。由于只考慮散熱器本身的基板和翅片的尺寸參數對冷卻效果的影響，將入口風速設置為5m/s，在這個風速下便于選擇到合適的風機。另外也不考慮材料對冷卻效果的影響，因此選擇常用的1070型鋁合金，其材料的導熱率為226 W/m·K。其次，將功率器件的接觸面積設置為75mm×180mm，功率器件之間為風冷散熱器設置獨立風道，只對翅片進行散熱，符合實際的冷卻情況。然后利用ANSYS14.5軟件搭建仿真計算的模塊，模塊的組成為：Geo+Icepak+CFD-POST，如下圖所示。

圖2　仿真計算模塊

風冷散熱器尺寸設置為250mm×300mm×150mm（W×D×H），其中初始的基板厚度為20mm，翅片高度為130mm，厚度為2mm，翅片間距為2.5mm。

采用K-ε湍流模型，環境溫度設為293 K，功率器件以900 W的功率持續發熱，出口設為壓力出口得到仿真計算模型如圖3。

2　仿真計算

根據所需對比的試驗參數，對仿真試驗進行設計，每組仿真試驗單獨進行，互不干擾。

對于初始設計尺寸的仿真結果如圖4。

圖3　仿真計算初始模型

表1　仿真試驗參數表

圖4　初始散熱器尺寸的仿真溫升為28.9K

從初始模型的仿真結果來看，器件發熱熱量集中的地方出于器件發熱中心區域，如果要優化散熱效果，我們選擇單一參數的變化來進行仿真試驗，對比試驗結果就可以得到在該參數軸上的冷卻效果隨參數變化的趨勢圖。

2.1翅片長度的仿真

對于翅片長度這一參數，以器件長度180mm為起始，200mm的散熱器長度開始增加，逐漸至450mm，逐一進行熱仿真計算，根據仿真結果得到曲線，見圖5。

2.2翅片高度的仿真

仿真試驗以100mm作為最低翅片高度，逐一增大到150mm，根據仿真結果得到曲線，如圖6。

由仿真數據可以看出，隨著翅片高度地不斷增加，溫升逐漸減小，曲線漸漸趨于平滑，直至最后與X軸平行。在此假設條件的基礎上可得出最佳的翅片高度為130～140mm。

圖5　溫升與翅片長度關系曲線

圖6　溫升與翅片高度關系曲線

2.3翅片厚度的仿真

仿真試驗以1mm作為最小翅片厚度，逐一增大到3.5mm，在此變化的過程中保持翅片間距2.5mm不變，根據仿真結果得到曲線，如圖7。

圖7　溫升與翅片厚度關系曲線

在保持翅片間距2.5mm不變的情況下，隨著翅片厚度的增加，翅片數量會逐漸減少，在這個過程中，溫升隨著翅片厚度的增加而逐漸減小，曲線漸漸趨于平滑，直至最后與X軸平行。在此假設條件的基礎上可以由仿真結果得出最佳的翅片厚度為3～3.5mm。

2.4翅片間距的仿真

仿真試驗以2.5mm作為最小翅片間距，逐一增大到5mm，在此假設基礎上，根據仿真數結果得到曲線如圖8。

圖8　溫升與翅片間距關系曲線

由溫升曲線可以看出，在假設條件的基礎上，溫升隨著翅片間距的上升不斷升高，因此對于此范圍中的最佳翅片間距為2.5mm。

3　仿真及試驗結果分析

在忽略每次仿真計算時網格質量差異的情況下，通過以上仿真結果的對比，可以得出風冷散熱器在設計過程中各個重要尺寸參數對于散熱效果的影響趨勢，并在一個常用尺寸的熱源長時間穩態工作中，找到其最佳散熱效果的尺寸范圍。根據試驗數據可以看出，對于一個固定尺寸的熱源（與風冷散熱器接觸面積為75mm×180mm），其散熱器最佳尺寸應該是翅片長度在300～350mm（大約為1.7～1.9倍與熱源的長度），翅片厚度為3～3.5mm，翅片間距為2.5～3.5mm。在選擇風冷散熱器的時候還要考慮加工，材料重量以及結構尺寸等因素，可以選在適當的范圍內進行取舍，以便既能滿足結構設計的需求，又能夠達到令人滿意的冷卻效果。

參考文獻:

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Optimized Design of Heat Sink By Using Icepak

Cai Yu，Dong Menglong，Zhang Wei
（Wuhan Institute of Marine Electric Propulsion，Wuhan 430064，China）

Abstract:Heat energy produced by the heating device is transferred through the interface between the heating device and the surface of heat sink，and then it is taken away from the fin by cold air.This heat transfer passage ensures suitable temperature environment for the heating device.We can find the ideal dimension of the fin to improve the cooling effect of the sink and the power density by optimizing the design parameters，so as to reduce the size of the heat sink in the same cooling effect.

Keywords:air-cooling； cooler； optimization； design specifications；

中圖分類號：TP332

文獻標識碼：A

文章編號：1003-4862（2016）06-0075-03

收稿日期：2015-12-23

作者簡介：蔡煜（1989-），男，助理工程師。主要研究方向為電子設備熱設計。