0引言
進入21世紀(jì)以來,隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展,電子設(shè)備呈現(xiàn)出功能越來越復(fù)雜,性能越來越強大的發(fā)展趨勢,并且這種發(fā)展趨勢越來越快地影響著人們的日常工作生活?而電子設(shè)備內(nèi)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(fā)熱器件越來越依靠強迫風(fēng)冷所創(chuàng)造的溫度環(huán)境才能長久的正常工作,因此這些發(fā)熱器件的散熱問題愈發(fā)重要,如果在其工作時出現(xiàn)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(yīng),造成重大損失,而高效風(fēng)冷散熱器的存在使得這一問題得到有效解決?
1風(fēng)冷散熱器設(shè)計參數(shù)
影響風(fēng)冷散熱器散熱效果的主要因素有:功率器件與風(fēng)冷散熱器的接觸面積,風(fēng)速,散熱器材質(zhì),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(guān)的是其材質(zhì)和尺寸參數(shù),因此我們可以在一定風(fēng)量,確定的功率器件與風(fēng)冷散熱器接觸面積以及風(fēng)冷散熱器材質(zhì)的基礎(chǔ)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(jié)果對單項尺寸對風(fēng)冷效果的影響因子的分析,相互耦合仿真結(jié)果,得到優(yōu)化風(fēng)冷散熱器的設(shè)計趨勢?
而對于強迫風(fēng)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(chǎn)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(nèi)紊流換熱準(zhǔn)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(nèi)徑或當(dāng)量直徑;
同樣當(dāng)流體在槽內(nèi)層流時的換熱準(zhǔn)則方程為:
為了使仿真試驗?zāi)軌颢@得有效的試驗數(shù)據(jù),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(shè)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(shù)對冷卻效果的影響,將入口風(fēng)速設(shè)置為5m/s,在這個風(fēng)速下便于選擇到合適的風(fēng)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(dǎo)熱率為226W/m·K?其次,將功率器件的接觸面積設(shè)置為75mm×180mm,功率器件之間為風(fēng)冷散熱器設(shè)置獨立風(fēng)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?
風(fēng)冷散熱器尺寸設(shè)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(huán)境溫度設(shè)為293K,功率器件以900W的功率持續(xù)發(fā)熱,出口設(shè)為壓力出口得到仿真計算模型如圖3?
2仿真計算
根據(jù)所需對比的試驗參數(shù),對仿真試驗進行設(shè)計,每組仿真試驗單獨進行,互不干擾?
對于初始設(shè)計尺寸的仿真結(jié)果如圖4?
從初始模型的仿真結(jié)果來看,器件發(fā)熱熱量集中的地方處于器件發(fā)熱中心區(qū)域,如果要優(yōu)化散熱效果,我們選擇單一參數(shù)的變化來進行仿真試驗,對比試驗結(jié)果就可以得到在該參數(shù)軸上的冷卻效果隨參數(shù)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(shù),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(jù)仿真結(jié)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(jù)仿真結(jié)果得到曲線,如圖6?
由仿真數(shù)據(jù)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(shè)條件的基礎(chǔ)上可得出最佳的翅片高度為130~140mm?
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(jù)仿真結(jié)果得到曲線,如圖7?
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(shù)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(shè)條件的基礎(chǔ)上可以由仿真結(jié)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(shè)基礎(chǔ)上,根據(jù)仿真數(shù)結(jié)果得到曲線如圖8?
由溫升曲線可以看出,在假設(shè)條件的基礎(chǔ)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(jié)果分析
在忽略每次仿真計算時網(wǎng)格質(zhì)量差異的情況下,通過以上仿真結(jié)果的對比,可以得出風(fēng)冷散熱器在設(shè)計過程中各個重要尺寸參數(shù)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(wěn)態(tài)工作中,找到其最佳散熱效果的尺寸范圍?根據(jù)試驗數(shù)據(jù)可以看出,對于一個固定尺寸的熱源(與風(fēng)冷散熱器接觸面積為75mm×180mm),其散熱器最佳尺寸應(yīng)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(fēng)冷散熱器的時候還要考慮加工,材料重量以及結(jié)構(gòu)尺寸等因素,可以選在適當(dāng)?shù)姆秶鷥?nèi)進行取舍,以便既能滿足結(jié)構(gòu)設(shè)計的需求,又能夠達到令人滿意的冷卻效果?
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