某機載設備散熱器的優化設計*

楊雨薇，王婉人，周 堯，張豐華

(西安航空計算技術研究所 第四研究室，陜西 西安 710068)

0 引 言

隨著電子技術的高速發展以及對電子設備性能和功率使用要求的提升，使得電子設備的功率密度不斷上升[1]，如果不能及時有效的解決電子設備的散熱問題，會導致電子設備的使用壽命和可靠性降低，嚴重時會引起整體設備的損毀。因此，熱設計的合理性會直接影響到電子設備的穩定運行及其使用壽命[2]，而常規的可靠性模擬試驗耗時長，成本高，不能及時解決散熱問題，筆者將利用Flotherm軟件對設計中的散熱器進行數值仿真計算，分析影響散熱器性能的因素，最終得到最優設計方案，降低制造成本。

1 基于Flotherm的熱仿真

1.1 熱仿真模型

此研究在考慮了仿真計算時間、仿真結果準確性以及保證仿真精度的前提下，對某機載設別機箱的物理模型進行一定程度的簡化，三維模型如圖1所示。

圖1 EMU機箱熱仿真三維模型

1.2 邊界條件

環境溫度為150 ℃，冷卻空氣溫度為84 ℃；整體功耗為38 W，由散熱器翅片與空氣對流換熱；冷卻空氣流速為75～9 m/s，并在散熱器長度方向上加裝擋風板；機箱及翅片結構為鋁合金6061，散熱器基板長152 mm，寬60 mm，厚10 mm，其翅片高度為20 mm，厚度為2 mm；使用先粗化后細化的方式進行網格劃分，再利用穩態分析進行仿真求解。

1.3 仿真計算結果

利用Flotherm軟件對模型進行仿真計算，以風速為75 m/s，翅片個數為86,翅片長度為11.5 mm為例展示設備的溫度分布云圖，如圖2所示。

圖2 溫度分布云圖

從圖2來看，設備溫度的分布由熱源中心向周圍擴散，依靠散熱器翅片向空氣擴散，由冷卻空氣帶走熱量，達到降低溫度的作用。同時離出風口越近，溫度降低越快。

2 影響散熱器性能因素的分析

散熱器由翅片和底座構成，理論分析得到其翅片長度以及個數是影響性能的主要因素[3-4]。影響散熱器性能的外部因素為冷卻空氣流速。因此主要對以上因素進行仿真分析，最終得到散熱器的最優設計方案。

2.1 翅片長度

保持其他參數不變，分別對不同翅片長度進行計算求解，分析翅片長度對散熱器散熱性能的影響。結果如圖3所示。

圖3 翅片長度與散熱能力關系曲線圖

由圖3分析得出，散熱能力隨翅片長度增加而增加，達到一定長度時，趨勢逐漸變緩。考慮制造成本及重量，翅片不宜過長，從結果看，翅片的長度為11.5 mm時最適宜。

2.2 翅片個數

在翅片個數不同的條件下，進行了仿真計算，結果如圖4所示。

圖4 翅片個數與散熱能力關系曲線圖

從圖4可以得到，散熱能力隨翅片個數增加而增加，超過一定數量，由于空氣對流空間減小，其散熱能力開始下降。由圖4得出翅片個數為86時，其散熱能力最好。

2.3 冷卻空氣流速

對外部因素研究，分析了不同冷卻空氣流速對散熱器性能的影響，結果如表1所列。

表1 不同風速與散熱能力關系

由表1可以看出來，風速越高散熱器性能越好，但冷卻空氣流速越高，產生的噪聲越大，會對其他元器件的使用產生一定影響，進而影響電子設備的使用，因此不能一味增大冷卻空氣流速來提高散熱器的散熱能力。

2.4 最優設計方案

根據以上分析可以得出散熱器的最優設計方案，如表2所列。

表2 最優方案

3 結 論

分析了散熱器結構參數和外部環境因素對其散熱能力的影響，得到以下結論：

(1)翅片越長，散熱器散熱能力越好，最終趨于穩定，考慮實際情況翅片不宜過長。

(2)翅片個數越多散熱能力越好，超過86時，會減小空氣對流空間，散熱能力下降。

(3)冷卻空氣流速越大，其性能越好，考慮到噪聲的影響，不建議冷卻空氣流速過高。