車載主機箱CPU散熱器結構設計及溫度場分析

陶 美，龔俊杰

(1.揚州大學 機械工程學院，江蘇 揚州 225003；2.中電科技揚州寶軍電子有限公司，江蘇 揚州 225003)

0 引言

車載主機箱CPU芯片的集成度、封裝密度以及工作頻率的不斷提高，導致其功率不斷增大，發熱量大幅上升。CPU溫度過高將會影響車載主機機箱的可靠性及穩定性，所以在CPU上加裝散熱器成為降低CPU溫度的必要手段[1]。在散熱器的研究方面，Shih C.J.等[2]采用了熵增最小化方法，這種方法的特點是計算最小熵增率，通過改變系統的一個或多個物理特性，能使設計在受有限尺寸和有限時間約束的條件下，更接近熵增最小化的工作條件。Khan W.A.等[3]通過最小化散熱器的熱阻對其進行優化設計，得到了較好的結構設計。張建臣[4]在介紹風冷散熱器的基本組成要素和傳熱原理的基礎上，對散熱器的傳熱過程進行分析研究。王宏偉等[5]探討了材料、加工工藝、扣具、導熱介質等對散熱性能的影響。本文對車載主機箱CPU散熱器進行結構設計及溫度場分析。

1 散熱器結構設計

1.1 材料選擇

散熱器材料的選取主要考慮其導熱性能好、易于加工、延展性好、易獲取的特點。本文確定散熱器所用材料為鋁制平直肋片，采用散熱器與風扇組合主動散熱型式。

1.2 參數設計

在散熱器肋片間距一定的條件下，散熱總面積與肋片數及肋厚成正比；與之相反，風道截面積與肋片數及肋厚成反比。為了提高散熱性能，在不改變散熱空間、散熱器材質及風扇送風量的前提下，對傳統散熱器進行結構參數設計。傳統的散熱器形狀如圖1所示。圖1中，δ為肋厚，S為肋片間距，h為肋高，t為底板厚度。

圖1 散熱器結構示意圖

經相關理論計算，散熱器肋間距S在4.38 mm～5.18 mm之間，肋高h為15.3 mm；實踐中散熱器肋間距S取整為5 mm，肋高h取整為15 mm。依據以往設計經驗，肋厚δ分別選取1.5 mm、1.8 mm、2.0 mm建立散熱器模型。

2 散熱器散熱性能測試

2.1 實驗測試方案

通過測量來流風速、翅片間的風速及CPU表面溫度、翅片不同點的溫度來分析散熱器內流體流動與換熱情況。在這種模擬情況下所研究的散熱器性能僅與其自身的材料、結構、來流風速相關，由此便可準確地分析散熱器的散熱性能。

2.2 實驗測試原理及裝置

采用加熱裝置來模擬CPU芯片的發熱過程。在實驗測試過程中將模擬45 W、60 W、80 W的CPU發熱量。為準確模擬CPU風扇對散熱器的送風情況及CPU的發熱情況，設計了如圖2所示的實驗測試裝置。通過該裝置測試在不同功率、不同風速條件下散熱器的散熱性能。

圖2 實驗測試裝置示意圖

2.3 實驗性能分析

記錄CPU散熱器在不同加熱功率和不同風速條件下的散熱過程，主要有兩個方面：①在相同風速、不同加熱功率下，從通電瞬間至表面溫度達到穩定狀態，采集CPU表面溫度變化數據曲線，分析加熱功率對散熱器散熱性能的影響；②在相同加熱功率、不同風速下，從通電瞬間至表面溫度達到穩定狀態，采集CPU表面溫度變化數據曲線，分析風速對散熱器散熱性能的影響。表1為實驗測試結果。

由表1可知：模擬芯片表面的平衡溫度隨氣體的流速而變化，說明散熱器的散熱狀況受氣體流速的影響很大。在相同功率下，隨著風速的增加，CPU表面溫度上升得越緩慢，且達到平衡所需時間越短，CPU表面平衡溫度越低。在低功率情況下，風速的提高對散熱效果影響不是很大；在高功率情況下，風速的提高對散熱效果影響更為明顯，然而存在噪聲較大，散熱器的綜合性能降低。由此得到風速為1.0 m/s時，散熱器綜合性能較好。

表1 實驗測試結果

3 散熱器熱仿真分析

3.1 參數設置

散熱器型式為平板直肋式，在其他結構參數一定的條件下，在Workbench中建立肋厚分別為1.5 mm、1.8 mm、2 mm的散熱器結構模型并進行仿真分析。散熱器的材料為鋁，密度為2 700 kg/m3,熱傳導系數為156 W/(m2·℃)，空氣對流系數為5.530 W/(m2·℃)，風冷對流系數為30 W/(m2·℃)。模型采用實體Solid185單元，節點數為167 628個，網格劃分方法采用Sweep劃分6面體，簡化后的有限元網格模型如圖3所示。

圖3 散熱器網格模型

3.2 結果分析

空氣對流和風冷對流兩種工況下散熱器的熱分析結果如表2所示。由表2可知：增加了風扇的風冷對流散熱性能明顯優于空氣對流散熱，在風冷對流工況下，肋厚為1.5 mm散熱器的散熱性能最佳。

表2 兩種工況下散熱器熱分析結果

4 車載主機箱熱仿真分析

車載主機箱中主要的熱功耗器件是CPU和電源模塊，其余器件發熱量均較小，故對其作整板均溫處理。仿真時不考慮輻射散熱，忽略海拔高度的影響，對車載主機箱分別在常溫及高溫狀況下進行熱仿真分析。常溫下，空氣溫度設定為+25 ℃；高溫下，空氣溫度設定為+85 ℃。

圖4為車載主機箱的簡化三維模型，為便于計算，對熱量傳遞影響不大的結構進行必要的簡化。運用Flotherm軟件進行仿真計算。

圖4 車載主機箱簡化模型

通過分析可以得到，車載主機箱水平放置符合氣體流動要求。CPU散熱器在常溫+25 ℃與高溫+85 ℃下的溫度分別為54 ℃與103 ℃，滿足常溫+25 ℃下的CPU散熱器工作溫度低于70 ℃、高溫+85 ℃下的CPU工作溫度低于110 ℃的許可溫度要求。