用Icepak熱分析軟件對散熱器進(jìn)行熱設計

2015年12月艦船電子對抗Dec.2015第38卷第6期SHIPBOARD ELECTRONIC COUNTERMEASUREVol 38 No. 6用 Icepak熱分析軟件對散熱器進(jìn)行熱設計陳斯文1,呂夢(mèng)琴2,吳潔3(1.海軍駐南京地區電子設備軍事代表室,南京210039;2.中國電子科技集團公司第55研究所,南京210016;3.江西機電職業(yè)技術(shù)學(xué)院,南昌33013)摘要:散熱器廣泛用于電子產(chǎn)品的熱設計,用于改善散熱能力。散熱器的傳熱方式包括3種:結構內部的導熱傳熱、與周?chē)諝獾膶α鱾鳠?、輻射傳熱。選擇散熱器材料時(shí)除考慮熱設計外還要兼顧抗沖擊和振動(dòng)的結構設計。論述了散熱器的設計方法,用 Icepak CFD熱分析軟件進(jìn)行熱設計的步驟包括建立模型、加載邊界條件、檢查結果等。優(yōu)化時(shí)觀(guān)察產(chǎn)品的最高溫度數值,對肋片散熱器肋片厚度、肋片數量進(jìn)行優(yōu)化,使產(chǎn)品的溫度最低。為了驗證仿真的正確性,進(jìn)行了試驗測試,仿真數據與實(shí)驗數據一致。關(guān)鍵詞:溫度;散熱器;熱設計中圖分類(lèi)號:TN03文獻標識碼:A文章編號:CN32-1413(2015)06-011304DOI:10.16426/j.cnk. jedzdk.2015.06.027Thermal Design of Radiator Based on Icepak Thermal Analysis SoftwareCHEN Si-wen, LV Meng-qin, WU Jie(1. Naval Representative Office of Electronic Equipment Resident in Nanjing Area, Nanjing 210039,China2. The 55th Research Institute oc CEtC, Nanjing 210016, China3. Jiangxi Vocational College of Mechanical Electronic Techonlogy, Nanchang 330013, China)Abstract: Radiators are widely used to improve the cooling capability in thermal design of electronicproducts. The thermal transmission modes of radiator include three kinds: thermal conduction instructure,convection with surrounding atmosphere, radiation. While selecting the radiator materialthermal design should be considered, as well as the structure design of anti-strike and anti-oscillatory. This paper discusses the design method of radiator, the steps of thermal design using IcepakCFD thermal analysis software include: modeling, loading boundary condition, checking resultetc., surveillances the highest temperature of product while optimizing the product, optimizes thethickness and amount of ribs for ribbed radiator, which makes the temperature of product the low-st For validating the correctness of simulation, experiment test is performed, and the simulationdata is consistent with the experiment dataKey words: temperature; radiator; thermal design0引言要求的電子設備進(jìn)行結構熱設計。為了改善散熱性能,通常采用散熱器傳熱。傳統的散熱器設計方隨著(zhù)電子元器件功率密度的不斷增加、設備的法是首先進(jìn)行理論計算,再借鑒工作經(jīng)驗略加改進(jìn),小型化發(fā)展,溫度已經(jīng)成為影響其可靠性的主要因基本沿用舊的結構。這樣的散熱器結構往往體積素。電子設備不斷向高功率高密度的方向發(fā)展,如大質(zhì)量重散熱效果差。用 Icepak軟件設計的散果高功耗元器件的熱量不能及時(shí)散發(fā)出去,會(huì )導致熱器體積、電子設備可靠性降低,這就要求對工作溫度有較高性高。TYH中國煤化工周期短,可靠CNMHG2015-09-23114艦船電子對抗第38卷1散熱器的傳熱方式行熱仿真時(shí),軟件自動(dòng)計算出傳熱系數,誤差小,提高了仿真溫度的準確度。散熱器的傳熱方式包括3種:結構內部的導熱輻射傳熱是物體以電磁波形式傳遞能量的過(guò)傳熱、與周?chē)諝獾膶α鱾鳠?、輻射傳熱?熱輻射能夠在真空中傳遞能量。輻射能量交換導熱傳熱存在于固體、液體和氣體中,但是導熱服從斯蒂芬玻爾茲曼定律機理不相同。金屬導體中靠自由電子的運動(dòng),非導Q=AE B;o(T-T)(3)電固體中靠晶格結構的振動(dòng);液體中主要靠彈性波式中:Q為表面i和j之間輻射傳熱量;A,為表面i的作用;氣體導熱是由于氣體分子互相碰撞引起的。的面積;e為表面i發(fā)射率;B為表面i和表面j之固體導熱服從傅里葉傳熱定律,穩定態(tài)熱傳導方間的輻射交換系數;為玻爾茲曼常數(該常數的值程為:約為567e-8W/(m2k4);T為表面i溫度;T為g=MA(T-T)/δ(1)表面j溫度。式中:φ為熱流量;λ為材料的熱傳導系數;A為與導熱和對流傳遞的熱量和溫差成正比,熱輻射熱量傳遞方向垂直的面積;TH和TH分別為高溫面傳遞的熱量和溫度的4次方差成正比。增加輻射散和低溫面的溫度;8為2個(gè)面之間的距離熱,需要增加輻射表面積,提高表面發(fā)射率。散熱器固態(tài)的導熱傳熱能力主要由材料的熱傳導系數的表面處理能夠改善發(fā)射率,磨光的鋁表面發(fā)射率決定,熱傳導系數越高傳熱能力越強。導熱傳遞的比較低,氧化的鋁表面較高,油漆表面的發(fā)射率最熱量和熱傳導系數面積溫差成正比。電子產(chǎn)品的高。對散熱器表面進(jìn)行涂漆處理增加表面發(fā)射率,散熱器通常采用鋁合金或者無(wú)氧銅等導熱性能好的改進(jìn)輻射傳熱能力金屬材料,雖然銅的導熱系數比鋁高,但因鋁比銅輕導熱傳熱、對流傳熱和輻射傳熱3種方式傳遞且價(jià)格低,故采用鋁質(zhì)的散熱器2。的熱量均與面積成正比。導熱傳遞的熱量與傳遞方對流傳熱是流體流過(guò)固體表面時(shí),二者具有不向垂直的面積成正比,對流和輻射傳遞的熱量與表同溫度時(shí)發(fā)生的熱交換過(guò)程,分為自然對流和強制面積成正比。對于肋片散熱器增加肋片的數量,對對流。對流散熱符合牛頓冷卻公式:流和輻射的表面積也隨之增加,增強了散熱能力A·△t2散熱器的熱設計式中:①為熱流量;a為對流換熱表面傳熱系數;A為換熱面積;△t為流體和壁面的溫差用 Icepak熱分析軟件進(jìn)行散熱器仿真時(shí)包括由牛頓冷卻公式可以看出,對流傳遞的熱量與幾個(gè)步驟建立熱分析模型、劃分網(wǎng)格選擇分析類(lèi)傳熱系數、換熱面積溫差成正比。對流傳熱分為自型施加邊界條件和載荷、求解。調用軟件庫中的散然對流和強迫對流。自然對流是由于流體冷熱密度熱器部件,設置材料屬性基板厚度、肋片厚度和助不同而產(chǎn)生的如散熱器放置在地面自然空氣環(huán)境片數量。分析類(lèi)型選擇穩態(tài)溫度分析邊界條件為中的傳熱屬于自然對流散熱。強迫對流是指由于外自然空氣對流和輻射散熱載荷為熱源的功耗,計算力迫使流體流動(dòng)來(lái)傳熱,如風(fēng)扇吹散熱器冷卻,屬于仿真結果。強迫對流散熱。當散熱器在自然空氣對流環(huán)境下不2.1散熱器金屬材料的選擇能滿(mǎn)足溫度要求時(shí),采用風(fēng)扇,進(jìn)行風(fēng)冷強迫對流散在設計散熱器時(shí)首先考慮結構尺寸,體積越大熱,增強散熱能力。越利于散熱,但是散熱器所占據的空間和質(zhì)量會(huì )受對流換熱表面傳熱系數與多種參數有關(guān),與結到限制。散熱器設計原則為在給定結構尺寸后,質(zhì)構的特征尺寸、流體速度、流體質(zhì)量流速、流體比定量小、溫度最低滿(mǎn)足機加工的要求。散熱器的材料壓熱容、流體動(dòng)力黏度、流體導熱系數流體運動(dòng)黏應選擇熱傳導系數高的金屬材料,一般采用鋁合金。度、流體的體膨脹系數、重力加速度、流體熱擴散系如果鋁合金散熱器的散熱能力不能滿(mǎn)足熱設計要數流體與壁面的溫差有關(guān)。在考慮對流傳熱系數求,可以做V凵中國煤化工或者銅散熱器時(shí),傳統的手動(dòng)理論計算方法帶來(lái)很大的誤差。有但是對于結CNMHG熱設計的時(shí)候些熱分析軟件,在熱仿真時(shí)對流傳熱系數手動(dòng)設置,還要兼顧結構的抗力學(xué)環(huán)境設計和減重設計。銅的這樣也會(huì )帶來(lái)誤差。但采用 Icepak熱分析軟件進(jìn)散熱性能優(yōu)于鋁,但銅密度大,導致盒體的質(zhì)量增第6期陳斯文等:用 Icepak熱分析軟件對散熱器進(jìn)行熱設計115加,不利于減重。另外銅比鋁的強度低,盒體結構的散熱的散熱器時(shí),應首先考慮散熱器的裝配方向以安全裕度比較低,抗振動(dòng)、沖擊能力差,可能導致結決定散熱肋片的走向,其次要考慮散熱器的基板厚構損壞。結構尺寸比較小的盒體可以適當考慮采用度、肋片厚度、肋間距。銅材料,但對于結構尺寸大且抗力學(xué)環(huán)境設計要求仿真重力加速度對散熱的影響,建立模型,在散比較高的盒體盡量避免采用銅材料。熱器上裝配熱源,散熱器結構尺寸為70mm2.2散熱器助片的方向選擇50mm×30mm,鋁合金材料,熱源功耗為3W.散在自然對流散熱時(shí),重力加速度的方向對溫度熱器的結構、熱源功率、散熱環(huán)境3種條件均保持不有較大的影響。設計散熱器時(shí)要考慮重力加速度的變時(shí),表1列舉了環(huán)境溫度為20℃、自然對流散熱方向,熱空氣垂直地面上升,如果空氣能順利通過(guò)散時(shí)散熱器助片方向對散熱效果的影響數據。熱器肋片的間隙,更利用散熱。在設計靠自然對流表1自然對流散熱時(shí)、重力加速度方向對散熱效果的影響數據散熱器的放置方向熱源溫度說(shuō)明垂直放置,肋片走向平行于重力方向34.87℃空氣順利上升,散熱效果最好水平放置,肋片走向垂直于重力方向37.15℃散熱效果次之,溫度居中垂直放置肋片走向垂直于重力方向43.42℃散熱效果最差,熱源溫度最高圖1為自然對流散熱時(shí)散熱器不同放置方向時(shí)的溫度分布。圖1(a)為散熱器垂直放置,肋片走向平行于重力方向;圖1(b)為散熱器水平放置,肋片44443走向垂直于重力方向;圖1(c)為散熱器水平放置,肋片走向垂直于重力方向。由此可見(jiàn),在自然對流散熱時(shí),散熱器垂直放置,散熱器肋片走向平行于重力加速度方向時(shí)散熱效果最好。2.3散熱器基板厚度的優(yōu)化設計散熱器基板厚度對散熱效果有很大的影響,當1483熱源功耗比較大時(shí),基板的厚度相應增加,基板從熱源吸收足夠的熱量向整個(gè)基板傳導,再通過(guò)肋片散熱到周?chē)諝?。散熱器結構尺寸為70mm×50mm×30mm,熱源功耗為10W。表2為散熱器結構尺寸、肋片厚度、肋片間距保持不變時(shí)基板厚度和溫度關(guān)系數據。當基板厚度為0.5mm時(shí),熱源溫度為424384.5℃。隨著(zhù)基板厚度的增加,溫度急劇下降,當43.27343.122基板厚度為1.5mm時(shí)溫度為7.4℃C?；搴穸?2.9713增加了1mm,溫度下降為7.1℃。當基板厚度由42.6691.5mm增加為7mm時(shí),熱源溫度變化緩慢?；?164厚度繼續增加,溫度以較快的速度反而上升。由此可見(jiàn),當設計散熱器時(shí),基板厚度如果太薄,則溫度太高,散熱效果差。如果基板太厚,不僅冷卻效果(c)差,而且質(zhì)量太重。當基板的厚度為一最佳數值時(shí),熱源溫度最低,質(zhì)量較小。圖1中國煤化工度分布2.4散熱器助片厚度、肋間距的優(yōu)化設計肋片要薄而CNMHG略厚而疏。當設計散熱器的原則是散熱器肋片高度比較小時(shí)散熱器的結構尺寸確定后,改善制冷效果需要增加散熱表面積,減小肋片厚度,增加肋片數量。每增加116艦船電子對抗第38卷1個(gè)肋片,則增加1個(gè)肋片表面積的散熱面,但是當散熱表面積減少,傳熱效果變差,并且增加了散熱器肋片的數量增加到一定數量時(shí),散熱能力增強速度的質(zhì)量。當散熱器的肋片高度比較大時(shí),如果肋片變緩慢,再繼續增加肋片數量,不僅增加了質(zhì)量,增比較薄,熱量聚集在肋片的根部,熱量要傳導到肋片加了加工難度,而且減弱了散熱能力。肋片的數量末端熱阻比較大,影響散熱效果。散熱器肋片的厚有一個(gè)最佳數值,需要用專(zhuān)門(mén)的熱仿真軟件進(jìn)行優(yōu)度和肋間距(肋片數量數量)最佳時(shí)散熱效果最好,化得到。如果散熱器肋片的高度比較小,肋片厚度溫度最低,用 Icepak軟件優(yōu)化得到優(yōu)化數據。比較大,在肋片間距固定的情況下肋片的數量減少,表2散熱器基板厚度和溫度關(guān)系數據匚基板05mm0mm.5m2m3mm4mn5mn6mn7mn8m9m_10溫度84.5℃79.207:4c7.7c76076.8℃7:1c7:2c74c|78.5c79.5c80.0℃如果散熱器的結構尺寸已經(jīng)確定,優(yōu)化散熱器的肋片厚度和肋片間距,使熱源的溫度最低,設計肋片的厚度時(shí)還要考慮加工能力。下面的實(shí)例為散熱器結構尺寸為70mm×50mm×30mm、功耗為10W、自然對流散熱時(shí)的散熱器優(yōu)化結果。表3散熱器助片厚度、助片個(gè)數的優(yōu)化結果肋厚不同肋片個(gè)數時(shí)的最高溫度5片7片10片80.8℃|76.7℃|80.3100.9℃(a)1mm81.8C76.2℃74.9℃82.9℃溫7100表3中,當散熱器的肋片厚度為2mm肋片為7片時(shí)溫度最低,當肋片數量增加到15片時(shí),溫度最高。肋片太密集不僅減弱了散熱效果,而且增加了機加工的難度,質(zhì)量也增加了,所以不是肋片越多越好。自然對流冷卻時(shí),溫度邊界層比較厚,如果肋片間距太小,2個(gè)肋片的熱邊界層發(fā)生交叉,影響肋片表面的對流。當散熱器的肋片厚度為1mm、肋片為10片時(shí)溫度最低。比較2種肋片厚度時(shí)的散(b)熱效果,當散熱器肋片厚度為2mm肋片數量為7個(gè)時(shí)的溫度為76.7℃;當肋片厚度為1mm、肋片圖2散熱器的熱源分布和溫度分布數量為10片時(shí)的溫度為74.9℃。兩者溫度比較接間。在設計散熱器時(shí),盡量把熱功耗大的熱源裝配近,兼顧機加工能力和質(zhì)量選擇肋片厚度和數量。在散熱器基板的中心位置,熱源分布均勻,使熱源的3測試結果和討論溫度最低。在試驗中用點(diǎn)溫度計測試溫度,表3為環(huán)境為驗證仿真的正確性進(jìn)行試驗。用 ICEPAK20℃時(shí)仿真溫度數據和測試數據。仿真數據與測熱分析軟件仿真散熱器結構尺寸為100mm×80試數據一致,仿真數據準確可靠。熱源的溫度誤差mm×30mm、基板厚度為2mm、肋片厚度為2mm、分析:(1)散熱器模型誤差,仿真時(shí)所建立的模型是肋片數量為8個(gè)(即肋間距為8mm)、6個(gè)熱源裝配理想模型,而實(shí)際加工時(shí)可能有機械誤差;(2)散熱在散熱器的基板上。圖2(a)為熱源裝配位置,圖2器材料熱傳導系數引起的誤差,仿真時(shí)調用軟件庫(b)為散熱器的仿真溫度分布。中的材料屬性不同批次命屬材料的熱傳導系數有從圖2(b)可以看出,裝配在散熱器一角的熱源所差異;(3)中國煤化工用點(diǎn)溫度計進(jìn)溫度比較高,由于熱源的熱量首先以導熱傳熱的方行監測,監CNMHG位置,點(diǎn)溫度計式傳遞到基板和肋片,然后通過(guò)基板和肋片的外表本身也存在測量不確定度。面的對流傳熱和輻射傳熱把熱量散發(fā)到周?chē)目?下轉第120頁(yè))艦船電子對抗第38卷持供電。配器中的控制電路誤動(dòng)作,進(jìn)而導致開(kāi)關(guān)誤動(dòng)作當A2與B1主纜某點(diǎn)對地出現短路時(shí),分配器(3)輔助電源的設計1中的開(kāi)關(guān)S2和分配器3中的開(kāi)關(guān)S1斷開(kāi)。負載在輔助電源輸入必須加入二極管V4、V5、V6R1將由UA供電,負載R13將由UB供電由于引入了二極管V4、V5、V6,在圖2中除非出現若B2-A3主纜某點(diǎn)對地出現短路時(shí),分配器2A、B、C3點(diǎn)同時(shí)對地短路的情況,否則輔助電源都中的開(kāi)關(guān)S2和分配器2中的開(kāi)關(guān)S斷開(kāi)。負載可以正常工作R1將由UA供電,負載Ra2與R13將由UB供電輔助電源設計時(shí)需要考慮到輸入的大范圍變當D2一C2出現過(guò)流,即負載Rt2或分支纜出現化。這是因為在恒壓供電系統中,整個(gè)供電鏈路中對地短路故障時(shí),開(kāi)關(guān)S3在控制電路的作用下斷各個(gè)節點(diǎn)的電壓都不同,而且隨著(zhù)支路負載的變化開(kāi),將支路負載從主干纜供電通道切出。而變化根據以上分析,在供電鏈路中采用T型高壓分根據系統工作電壓和工作電流,可以選擇IX配器,可以有效隔離故障點(diǎn),從而提高供電的可BL16N250作為主開(kāi)關(guān)管。在額定工作電流靠性。(1.5A)時(shí),電阻R1、R2、R3取值為20mg,其上的4T型高壓分配器設計取樣電壓設置為0.3V。通過(guò)實(shí)驗,電路在各種狀態(tài)下均能可靠工作。進(jìn)行T型高壓分配器設計時(shí),主要注意以下5結束語(yǔ)幾點(diǎn):1)高壓開(kāi)關(guān)器件的選擇本文給出了一種T型高壓分配器的基本設計圖2中的高壓開(kāi)關(guān)器件V1、V2、V3應將岸基電思路構建了多節點(diǎn)恒壓供電系統,通過(guò)故障模擬實(shí)源的最高輸出電壓作為額定工作電壓,主要是因為驗和長(cháng)期工作,驗證了設計的合理性和可行性。當支路負載未正常工作前或某些支路處于故障狀態(tài)參考文獻時(shí),整個(gè)鏈路的工作電流較小,這樣每個(gè)節點(diǎn)的電壓將與岸基電源輸出近乎相等。[1]高艷波深海高技術(shù)發(fā)展現狀及趨勢[J].海洋技術(shù),(2)電流取樣電阻的選擇及基準設定2010,29(3):119-124圖2中R1、R2、R3為電流取樣電阻,為降低功[2]李明春海纜故障定位分析[J]無(wú)線(xiàn)電通信技術(shù),198耗通常其阻值較小。然而阻值過(guò)小時(shí),電阻R1、R2、(6):45-47R3上的電壓過(guò)低將會(huì )導致干擾,從而導致T型分(上接第116頁(yè))表4散熱器仿真溫度數據和試驗測試數據熱源代號3仿真溫度64.4℃65.6℃64.2℃66.9℃67.3℃69.7℃實(shí)測溫度63.1℃65.0℃64.5℃65.3℃68.9℃71.2℃降低了研制成本,縮短了研制周期。4結束語(yǔ)在設計散熱器時(shí),選擇熱傳導系數高的金屬材參考文獻料,在自然對流環(huán)境下應考慮肋片的方向,以利于空[1]邱成悌蔣金興.電子設備結構設計原理[M]南京:東氣的流動(dòng)。對于給定結構尺寸的散熱器,優(yōu)化基板南大學(xué)出版社,2005厚度、肋片厚度、肋片間距,還要考慮散熱器的機加[2]余建粗,高紅霞電子設備熱設計及分析技術(shù)[M]南工能力,確保熱源的溫度最低,質(zhì)量較輕,散熱器的京:北YH學(xué)出補.20∩8冷卻效果最佳。用 ICEPAK CFD熱分析軟件對散[3]李勤中國煤化工系統的熱設計門(mén)半導CNMHG熱器進(jìn)行熱仿真和優(yōu)化,仿真數據和試驗數據一致,