強迫風冷散熱系統的熱結構優化

孫傳杰 張孟偉 劉文哲

【摘 要】為使散熱系統同時實現低熱阻、小型化、輕量化的目標，有必要對散熱系統進行熱結構優化設計，散熱系統的熱-結構優化設計是以散熱器的結構參數和散熱風扇的特性參數為設計變量實現目標函數的最小化，強迫風冷散熱系統熱結構優化設計的目標函數分別為散熱器到環境的熱阻、散熱系統的壓降和散熱器的重量。對散熱器結構參數進行優化設計使散熱器熱阻最小化的同時散熱器的壓降和重量可能會隨之增大，散熱器冷卻風道內的壓降增大會影響散熱器的換熱系數，降低散熱性能。

【關鍵詞】電力電子器件；熱結構優化；方法與策略

前言：

散熱器冷卻風道內壓降的增大要求必須同時選用更大風壓的散熱風扇，風扇風壓的提高會使其噪聲增大，散熱器重量的增大與輕量化的要求矛盾。因此應綜合考慮電子設備結構、風扇風壓、成本和散熱效率等因素確定散熱器的結構參數，電子設備在保證其電力電子器件在規定溫度范圍內安全可靠工作前提下應盡量減小散熱系統的壓力損失和重量?；跓崃W第二定律的最小熵產原理可綜合評價熱阻和壓降對散熱性能的組合效應，該原理同時研究了由散熱器熱傳導和壓降引起的熱動力學損失。

一、強迫風冷散熱器熱設計主要原則

散熱器上下基板厚度、長度、寬度增大散熱器的熱阻都會減小，應盡量選用其上限值，但與此同時散熱器的體積和重量也隨之增大，因此為滿足設備安裝空間，不與其小型化要求相違背，也不可過大。散熱器上下基板厚度設計的關鍵是散熱器上基板能夠符合安裝電力電子器件的需求、下基板符合散熱器在設備內部的安裝需求即可。散熱器長度、寬度的選擇在滿足其散熱要求前提下同時都要綜合考慮風扇選型和設備小型化、輕量化的要求，于是本文散熱器的優化問題是在散熱系統體積或質量一定的條件下盡量減小散熱器熱阻[1]。

散熱器的熱阻隨散熱器總高度和肋片厚度的增大呈現先減小后增大的相同趨勢，因此一味增大散熱器總高度和肋片厚度不僅使得散熱器更大更重，且使散熱系統的散熱性能更差。

散熱器寬度一定條件下肋片間距、通道數目和肋片厚度相互約束，相互影響，如肋片間距減小時肋片數目增多，散熱面積增大，使得散熱器熱阻減小，而肋片數目增多卻同時使得風扇風量流過的散熱器端面面積減小，于是冷卻空氣流過散熱器的壓降就隨之增大。壓降增大使得風扇工作點的風量又會減小，散熱性能降低，因此在散熱系統設計時要依據散熱器各個肋片參數對散熱性能的不同影響程度和風扇選型確定最佳肋片間距、肋片數目和肋片厚度。

由強迫風冷散熱中風速對散熱器熱阻的影響可知，當風速大于某一值后熱阻的減小非常緩慢，且散熱器壓降隨風速增大而顯著增大，所以風速的持續增大對散熱性能并無提高。而散熱器導熱系數的選擇則主要考慮材料費用和加工費用允許的條件下，應盡量選擇導熱系數較高的材料。常見金屬材料中，鋁生產工藝簡單、有良好的鑄造加工性能和成本較低，一般是優先考慮的材料，但在散熱要求特別高的場合選用銅，主要依據散熱器的允許溫升、重量和成本等指標要求而確定。

二、散熱器的多目標熱-結構優化

根據電子設備內功耗、溫升、安裝空間、散熱器基板表面安裝電力電子器件的要求等，首先可確定散熱器的材料、長度、寬度、上下基板厚度和總風量需求，然后根據散熱器其余結構參數和冷卻條件對散熱器熱阻、壓降影響關系的分析結果確定散熱器的肋片厚度、肋片間距及肋片數目。在散熱器寬度一定條件下，散熱器肋片厚度、肋片間距及肋片數目之間的關系，分析各參數間的約束關系為：

若保持散熱器肋片數目不變，當增大散熱器肋片厚度時熱阻減小，但隨之肋片間距也會減小，而肋片間距的減小又使得散熱器壓降增大；

若保持肋片間距不變，則當肋片厚度增大時熱阻隨之減小，但與此同時肋片數目隨之減少，而肋片數目的減小使得散熱器的總散熱面積減小帶來散熱器熱阻的增大；

若保持散熱器肋片厚度不變條件下，增多肋片數目可減小散熱器熱阻和壓降，但肋片數目增多的同時使得肋片間距減小，又導致散熱器壓降增大，降低散熱器的散熱能力。所以散熱器的肋片間距、肋片厚度、肋片數目對散熱器熱阻和壓降的影響是相互制約和影響的[2]。

優化過程以散熱器的加工和安裝尺寸為約束條件，即保持散熱器體積不變條件下以散熱器的結構參數和冷卻條件等為設計變量，應用Matlab對散熱器的熱阻和壓降進行優化設計。

三、強迫風冷散熱系統的熱-結構優化

在強迫風冷散熱器的熵產最小化熱結構優化設計中，一般取設計者可控制的參數作為設計變量，如散熱器的肋片高度、肋片長度、肋片厚度、肋片數目等，優化設計的目標函數為散熱器的熱阻和壓降，屬于有約束多變量多目標的優化設計問題，而遺傳算法是適用于多變量優化問題的有力方法和途徑，因此本文擬采用遺傳算法對組合型散熱器進行熱結構優化設計。遺傳算法將優化的目標函數解釋為生物種群對環境的適應性，將優化的變量看作生物種群的個體，由當前種群出發，利用合適的復制、雜交、變異與選擇操作生成新一代的種群，重復直到求得合乎要求的種群停止。因此遺傳算法采用的是生物進化和遺傳的思想，其優越性主要是在搜索過程中不易陷入局部最優，且在適應值函數不連續、非規則條件下也能以很大的概率找到整體最優解。

遺傳算法與傳統優化算法的不同主要表現在：

（1）遺傳算法不直接作用在參變量集上，而是利用參變量集的某種編碼；

（2）遺傳算法不是從單個點，而是從一個點的群體開始搜索；

（3）遺傳算法利用適應值信息，不需要導數或其他輔助信息；

（4）遺傳算法利用概率轉移規則，而不是確定性規則。

四、強迫風冷散熱器的遺傳算法優化

對于通過散熱器散熱的電力電子器件，器件內生成的熱量主要通過與之接觸的散熱器以對流和傳導兩種方式散發至周圍環境，直接表征散熱器散熱性能的參數是散熱器與環境之間的總熱阻，熱阻越小，散熱器表面的溫度越低，散熱系統的散熱性能越好。

雖然散熱器表面溫度得到顯著降低，但同時散熱系統的壓降過大，在實際應用中可選擇的風扇風壓無法滿足過大壓降的要求。因為散熱系統壓降增大要求所選風扇的壓力也隨之越大，而風扇風壓受風扇尺寸和實際加工工藝條件的限制，另由于風扇的噪音也隨其壓力的增大而增大。因此需要綜合權衡散熱器的熱阻、壓降對散熱系統散熱性能的不同影響程度，將散熱器到環境的總熱阻和散熱系統的壓降兩個參數同時作為目標函數進行優化設計。

散熱器的熱阻和壓降分別表征的是散熱器的傳熱特性和流體的流動特性，在對散熱器進行優化設計時同時綜合考慮兩方面的特性，采用基于熱力學第二定律的熵產最小化原理分析散熱器的綜合特性，熵產最小化使得整個系統的不可逆損失整體達到最小[3]。在電子設備機殼或其安裝機柜開孔形狀中，相同面積內不同形狀的開孔由于開孔率不同使得其對散熱結果的影響也不同，在滿足安裝機柜承重要求的前提下一般圓形開孔的開孔率大于其他形狀開孔，由于本文電子負載故障保護設備散熱器水平放置，且散熱器的冷卻通道直接面對開孔端面，因此本文提出安裝機柜前后門上應用與散熱器冷卻風道形狀一致的腰形孔開孔方法，機柜前后門進風口的開孔設計。

五、結語

綜上所述，合理設計散熱風道是在不增加散熱器體積和重量條件下有效提高散熱系統散熱性能的另一個優化方法，通過優化電子設備及其安裝機柜的機械結構提高進入散熱系統冷卻風道內的風量，進而提高散熱系統的散熱性能，實現電子設備的熱-機械優化設計。

【參考文獻】

[1]仇善良，段澤民，司曉亮，李志寶，張松，王瀚林.直升機電子設備艙瞬態雷電感應磁場特性[J].高電壓技術，2017，43（05）：1409-1419.

[2]楊文芳，魏強，朱蘭琴.基于有限元分析的機載電子設備減振設計[J].振動與沖擊，2016，29（05）：230-234+253.

[3]陳立恒，吳清文，羅志濤，董吉洪，江帆.空間相機電子設備熱控系統設計[J].光學精密工程，2015，17（09）：2145-2152.