基于FloTHERM的風(fēng)冷機(jī)箱散熱設(shè)計及優(yōu)化分析

毛楊礎(chǔ)，許 升，謝 磊

(中國船舶重工集團(tuán)公司第七二四研究所，南京 211153)

0 引 言

電子設(shè)備需要在合適的溫度范圍內(nèi)才能正常工作。著名的“10 ℃法則”指出“半導(dǎo)體器件的溫度每升高10 ℃，其可靠性就會降低 50%”。因此，電子設(shè)備的熱設(shè)計是十分重要的。隨著微電子工藝技術(shù)的不斷進(jìn)步，功率器件向著輕、薄、短、小型化發(fā)展，并且發(fā)熱功率也越來越大，導(dǎo)致發(fā)熱熱流密度成倍增加。器件的發(fā)熱溫升導(dǎo)致產(chǎn)品可靠性變差。電子設(shè)備的散熱性能是影響產(chǎn)品可靠性的重要因素。[1]

電子機(jī)箱內(nèi)，冷板上電子元件發(fā)熱熱流密度低于5 W/cm2時多采用風(fēng)冷的冷卻方式。相比于液冷冷卻，風(fēng)冷冷卻的結(jié)構(gòu)相對簡單，安全系數(shù)相對較高，并且不需要冷卻液輸入輸出，電子機(jī)箱可以獨立工作。

眾所周知，熱量是通過熱傳導(dǎo)、熱對流和熱輻射3種方式傳遞的。[2]電子設(shè)備的散熱設(shè)計就是基于這3種原理，通過盡量減少熱流通路上的熱阻來進(jìn)行的。在電子設(shè)備的熱設(shè)計中，對于熱傳導(dǎo)的運用，通常是將導(dǎo)熱系數(shù)較高的固體材料與發(fā)熱器件接觸，使熱量傳導(dǎo)到散熱面積更大、熱量更易被帶走的物體上。對于熱對流的應(yīng)用，通常是使溫度較低的氣體或液體流經(jīng)高溫物體，利用流體粒子運動而帶走熱量，其中包括自然對流和強(qiáng)迫對流。熱輻射是指以電磁波的形式傳遞能量的方式。對于風(fēng)冷機(jī)箱的散熱設(shè)計就是遵循以上原理，內(nèi)部設(shè)計合理的風(fēng)道、散熱器件，對電子元器件進(jìn)行散熱冷卻，保證機(jī)箱能夠正常工作。本文運用電子設(shè)備熱分析軟件FloTHERM對某風(fēng)冷機(jī)箱進(jìn)行了熱設(shè)計仿真及優(yōu)化分析。對風(fēng)冷機(jī)箱冷板進(jìn)行初步設(shè)計并仿真計算，通過對冷板翅片參數(shù)進(jìn)行數(shù)值試驗及響應(yīng)面優(yōu)化，得到冷板翅片參數(shù)的最優(yōu)組合。通過優(yōu)化結(jié)果分析，得到了風(fēng)冷冷板設(shè)計的指導(dǎo)性結(jié)論。

1 物理模型及仿真結(jié)果

1.1 物理模型

電子機(jī)箱工作的環(huán)境溫度為50 ℃，印制板上的芯片最高允許殼溫為80 ℃。整個機(jī)箱的尺寸為255 mm×155 mm×265 mm(長×寬×高)。機(jī)箱內(nèi)部分為3個單元。左側(cè)控制單元的發(fā)熱器件貼著隔板安裝。中間功率單元的發(fā)熱器件貼著冷板安裝。右側(cè)散熱單元上部預(yù)設(shè)為風(fēng)冷冷板，尺寸為230 mm×190 mm(長×寬)。下部安裝軸流風(fēng)機(jī)，尺寸為75 mm×75 mm×15 mm。機(jī)箱內(nèi)部功率單元有兩個主要發(fā)熱器件，貼著風(fēng)冷冷板安裝，分別為熱源1(30 W)、熱源2(100 W)。結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

圖1 機(jī)箱布局示意圖

1.2 初步仿真結(jié)果

機(jī)箱安裝板及冷板材料為鋁合金6063，冷板翅片厚度為1 mm，間隙3.5 mm，高度初步設(shè)為16.4 mm。根據(jù)牛頓冷卻公式Q=CmΔt，取空氣溫升為8 ℃，得到所需空氣流量大約為33.5 CFM。考慮設(shè)計余量，初步選用3個最大風(fēng)量為23 CFM的風(fēng)機(jī)。由于風(fēng)機(jī)的風(fēng)量與風(fēng)壓緊密相關(guān)，因此風(fēng)機(jī)工作點不一定在風(fēng)量最大值處，仿真時需設(shè)置風(fēng)機(jī)的靜壓-流量曲線，這樣風(fēng)機(jī)工作風(fēng)量、風(fēng)速也參與迭代計算。

對于該機(jī)箱的熱仿真分析，本文采用專門進(jìn)行電子設(shè)備熱設(shè)計的FloTHERM軟件進(jìn)行計算。對該風(fēng)冷機(jī)箱各部件進(jìn)行建模及網(wǎng)格劃分(如圖2所示)，對關(guān)鍵部位如散熱翅片、發(fā)熱器件附近、風(fēng)機(jī)出口附近等進(jìn)行了網(wǎng)格加密處理。網(wǎng)格單元數(shù)共為1 572 078個，網(wǎng)格最大長寬比不超過15。選用Automatic Algebraic湍流模型及SIMPLE算法迭代求解，并考慮發(fā)熱器件與冷板之間的接觸熱阻，以及考慮進(jìn)出風(fēng)口風(fēng)阻特性。設(shè)置溫度收斂曲線降到10以下，溫度監(jiān)控點在連續(xù)30步迭代中保持0.5 ℃范圍內(nèi)的波動時認(rèn)為計算收斂。[3]計算收斂性良好，監(jiān)控點溫度曲線如圖3所示。

圖2 仿真模型

圖3 計算監(jiān)控點溫度曲線

計算完成后得到機(jī)箱整體溫度分布、機(jī)箱主要散熱元件溫度分布和機(jī)箱流體跡線圖，分別為圖4、圖5、圖6。從圖5中可以看出，主要熱源的溫度為74.1 ℃、74.9 ℃，低于元件最高允許工作溫度80 ℃，符合散熱要求，但余量較小。從圖6俯視角度的流場跡線圖可以看出，風(fēng)機(jī)風(fēng)量僅有較少部分流經(jīng)機(jī)箱右側(cè)散熱冷板，有效的換熱面積較少，散熱效率較低。通過后處理數(shù)據(jù)中可以得到，共有154.2 W熱量傳入冷板，但僅有78.7 W熱量通過冷板散熱齒對流散掉，冷板散熱齒與環(huán)境平均對流換熱系數(shù)為520 W/(m2K)。因此，后續(xù)考慮對散熱布局進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，提高散熱效率。

圖4 機(jī)箱整體溫度分布

圖5 機(jī)箱主要散熱元件溫度分布

圖6 機(jī)箱俯視角度流體跡線圖

2 優(yōu)化分析

2.1 優(yōu)化設(shè)計

為對上述散熱方案進(jìn)行優(yōu)化，提高散熱效率，考慮在FloTHERM中通過Command Center(CC)模塊對機(jī)箱散熱單元進(jìn)行響應(yīng)面優(yōu)化。根據(jù)定義的目標(biāo)函數(shù)進(jìn)行項目的優(yōu)化設(shè)計，首先對輸入變量進(jìn)行試驗設(shè)計，基于試驗設(shè)計創(chuàng)建的方案，通過響應(yīng)面優(yōu)化進(jìn)一步進(jìn)行方案優(yōu)化設(shè)計，這樣可有效提升優(yōu)化設(shè)計效率。

機(jī)箱散熱單元中冷板結(jié)構(gòu)參數(shù)對散熱效果影響較大，將其作為輸入變量創(chuàng)建試驗方案，兩個發(fā)熱元件的中心點溫度作為目標(biāo)函數(shù)。設(shè)定冷板及風(fēng)扇參數(shù)變化范圍(如表1所示)，優(yōu)化模塊自動形成20組試驗方案如表2所示。

表1 輸入變量及其變化范圍

表2 試驗方案

20組試驗方案計算完成后，通過響應(yīng)面優(yōu)化得到輸入變量在變化范圍內(nèi)的最優(yōu)組合(如表3所示)，可以看出得到的最優(yōu)組所對應(yīng)的兩個熱源中心點溫度降低了5 ℃左右，冷板散熱齒與環(huán)境平均對流換熱系數(shù)為780 W/(m2K)，比初步設(shè)計提升了近50%。

2.2 結(jié)果分析

根據(jù)20組數(shù)值試驗結(jié)果，得到隨著冷板翅片高度、翅片厚度、翅片個數(shù)變化熱源2的中心點溫度分布曲面，見圖7。

表3 輸入變量最優(yōu)組合

圖7 熱源2溫度隨冷板翅片高度、翅片厚度、翅片個數(shù)變化的分布曲面

圖7(a)為翅片高度和翅片個數(shù)變化范圍內(nèi)熱源2溫度分布圖，圖7(b)為翅片高度和翅片厚度變化范圍內(nèi)熱源2溫度分布圖，圖7(c)為翅片個數(shù)和翅片厚度變化范圍內(nèi)熱源2溫度分布圖。從圖7(a)、7(b)中可以看出翅片高度對熱源溫度變化趨勢的影響是嚴(yán)格負(fù)相關(guān)的，在任一翅片厚度或翅片個數(shù)條件下,翅片越高,熱源溫度越低。此現(xiàn)象符合常理，在風(fēng)機(jī)風(fēng)壓、風(fēng)量足夠且不變的情況下,翅片越高,散熱面積越大，而熱源溫度越低。但是，在任一翅片高度條件下翅片厚度和翅片個數(shù)都能找到一個使熱源溫度最低的情況。從圖7(c)中可以看出，翅片厚度和翅片個數(shù)對熱源溫度的影響是相關(guān)聯(lián)的，不同翅片厚度條件下都能找到一個使熱源溫度最低的翅片個數(shù)，并且該數(shù)值不是固定的，反之亦然。通過圖8可以更明顯地看到，當(dāng)翅片厚度從0.5 ～3 mm不斷增加時熱源1的最低溫度點所對應(yīng)的翅片個數(shù)不斷減小。分析其原因，當(dāng)翅片厚度不斷增加時，由于冷板總寬度190 mm不變，翅片個數(shù)會隨之減少來保證翅片間有足夠的空間使流體流過進(jìn)行換熱。因此，對于總尺寸固定的冷板，使冷板散熱效果較好的翅片間隙總是維持在一個相對穩(wěn)定的范圍內(nèi)。從圖8中可知，當(dāng)熱源1溫度最低時不同厚度的翅片所對應(yīng)的翅片間隙如表4所示。翅片厚度變化時，最優(yōu)的翅片間隙總維持在3.5～5 mm，對于常用的1～2.5 mm厚的冷板翅片，其最優(yōu)的翅片間隙在4 mm左右。

3 結(jié)束語

本文運用FloTHERM軟件對某風(fēng)冷機(jī)箱的散熱方案進(jìn)行初步設(shè)計、優(yōu)化改進(jìn)。在散熱單元總體尺寸不變的情況下，通過數(shù)值試驗并進(jìn)行響應(yīng)面優(yōu)化，得到了使熱源溫度最低時的冷板翅片參數(shù)組合，兩個熱源溫度均比初步設(shè)計時降低了5 ℃。通過對數(shù)值試驗結(jié)果的分析，進(jìn)而得到如下結(jié)論：在風(fēng)機(jī)風(fēng)壓、風(fēng)量足夠的情況下，翅片越高，散熱面積越大，熱源溫度越低。因此，在結(jié)構(gòu)尺寸允許范圍內(nèi)及考慮了加工難易程度情況下，盡量增加翅片高度對散熱是有益的；冷板翅片厚度與翅片個數(shù)對散熱效果的影響是相關(guān)聯(lián)的，冷板設(shè)計時，并不是翅片越多越好，對于常用的1～2.5 mm厚的冷板翅片，其最優(yōu)的翅片間隙在4 mm左右。上述結(jié)論可對風(fēng)冷冷板的設(shè)計提供有益的參考價值。

圖8 不同翅片厚度情況下翅片數(shù)量對熱源1溫度的影響

表4 熱源1溫度最低時不同厚度的翅片所對應(yīng)的翅片間隙