矯直機(jī)多軸伺服控制系統(tǒng)散熱器設(shè)計(jì)

翟 華，趙彩暇，劉 洋，吳玉程，嚴(yán)建文

（1.合肥工業(yè)大學(xué) 機(jī)械與汽車工程學(xué)院，安徽 合肥 230009；2.合肥工業(yè)大學(xué) 合鍛研究院，安徽 合肥 230009）

自動矯直機(jī)主要用于軸類零件熱處理后的矯直工藝，因此一般放置在溫度高、環(huán)境惡劣的熱處理車間[1]，對相關(guān)元器件的質(zhì)量要求較高。多軸伺服控制系統(tǒng)是自動矯直機(jī)的核心，通過CPU、FPGA等芯片高度集成，主要實(shí)現(xiàn)矯直機(jī)自動旋轉(zhuǎn)檢測、自動矯直、多點(diǎn)移動等功能，工作溫度一般為-5～65℃。由集成芯片功耗產(chǎn)生的高溫會導(dǎo)致電子元器件失效，必須經(jīng)散熱器進(jìn)行及時降溫，現(xiàn)已成為控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)面臨的主要問題。

1 控制系統(tǒng)散熱方案設(shè)計(jì)

1.1 散熱器散熱方案

如圖1所示，針對多軸伺服矯直機(jī)控制系統(tǒng)機(jī)箱的散熱問題，散熱方案設(shè)計(jì)的主要目的是保證系統(tǒng)內(nèi)集成電子元器件的工作溫度低于其許可的最大溫度。系統(tǒng)內(nèi)設(shè)有兩個ASIC芯片，第一個芯片功率50W，第二個芯片功率30W。設(shè)計(jì)目標(biāo)是：在20℃環(huán)境下工作時，溫度不得超過60℃。

圖1 多軸控制系統(tǒng)模型

進(jìn)行散熱器設(shè)計(jì)時，首先選擇散熱器肋片形狀，初步確定散熱器的尺寸，其次對散熱器的肋片高度、肋片厚度、肋片間距、基板厚度等進(jìn)行優(yōu)化，最后用仿真軟件進(jìn)行溫度分析，確保芯片溫度在允許的工作范圍內(nèi)。

型材散熱器肋片形狀主要分為矩形肋、梯形肋、三角形肋三種結(jié)構(gòu)形式。其中，梯形肋重量與熱阻較大，三角形肋片體積和矩形肋片相似，重量輕30%左右，但不易加工，矩形肋散熱器加工方法簡單，熱阻較小，此處選擇矩形肋散熱器[2]。

目前最常用散熱器材料為鋁和銅，鋁質(zhì)散熱器相對銅質(zhì)熱阻大、質(zhì)量輕、易加工、成本較低，散熱速度較快，故本方案選擇鋁質(zhì)散熱器。

1.2 散熱器參數(shù)設(shè)計(jì)方法

（1）基板設(shè)計(jì)

依據(jù)電子設(shè)備尺寸及控制系統(tǒng)外形尺寸要求[3]，基板長度取90mm，寬度取40mm。基板厚度會影響自身熱阻，從而影響其溫度分布的均勻性，初步選擇基板厚度為5mm。

（2）肋厚設(shè)計(jì)

實(shí)驗(yàn)證實(shí)，等截面矩形肋起增強(qiáng)散熱的條件是畢渥數(shù) Bi≤0.25[1]，即

式中：δ——肋片厚度；

α——對流換熱系數(shù)；

λ——肋片導(dǎo)熱系數(shù)。

為了使畢渥數(shù)小，肋片厚度δ不宜過厚，同時肋片厚度過小會造成加工困難，此處初步選擇肋片厚度為2.5mm。

（3）肋間距設(shè)計(jì)

散熱器寬度為定值時，肋片間距減小，換熱系數(shù)增加，熱阻降低，但間距過小，由于流體粘滯作用，換熱效率降低[4]，初步選擇肋間距為7mm。

（4）肋高設(shè)計(jì)

等截面矩形肋的散熱計(jì)算公式為[1]：

式中：Q——散熱器實(shí)際散熱量；

U——橫截面周長；

Ac——橫截面面積；

l——散熱器肋片高度；

t0——肋基部溫度，按60℃計(jì)算；

tf——工作環(huán)境溫度。

m——肋片材料與流體物性函數(shù)。

齒高過小，散熱效果不好，隨著齒高的增加，ml≈3時，肋片的散熱量達(dá)到最大，肋高按l≤m/3來選取，根據(jù)計(jì)算此處肋高初步選為33mm。

（5）散熱器的校核計(jì)算

肋片參數(shù)設(shè)計(jì)的前提條件是假設(shè)肋基部溫度為60℃，所以需對散熱器的溫度進(jìn)行校核計(jì)算，驗(yàn)證是否滿足設(shè)計(jì)條件。

式中A為散熱面積，計(jì)算得到Δt=45.2℃，即肋片溫度t為65.2℃，說明散熱器溫度高于設(shè)計(jì)要求，原有設(shè)計(jì)需要進(jìn)行修正。

2 基于ICEPAK的散熱器溫度仿真分析

2.1 散熱器仿真分析

通過ICEPAK建立熱仿真分析模型[5]，包括以下幾個部分：散熱器尺寸為95mm×40mm×38mm，肋片數(shù)量為5，肋片間距為2.5mm，基板厚度為5mm；風(fēng)扇質(zhì)量流量為0.01kg/s；背板厚度5mm，背板將設(shè)備一面與散熱器翅片一面隔開，控制風(fēng)扇風(fēng)向；假設(shè)散熱器兩個熱源功率均為40W；由于采用強(qiáng)迫風(fēng)冷方式，在電子機(jī)箱上端設(shè)置通風(fēng)孔；設(shè)備腔體由5個walls組成。

檢查模型正確后，進(jìn)行網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格劃分質(zhì)量直接影響模型求解結(jié)果的準(zhǔn)確性，對散熱器和熱源進(jìn)行細(xì)化，然后檢查氣流，ICEPAK軟件運(yùn)行計(jì)算得到的Reynolds和Peclet數(shù)分別是25949.2和18385.1，所以更改設(shè)置為turbulent（湍流），求解結(jié)果見圖2、3、4。

從圖2、3中分析可知，芯片和散熱器最高溫度66.1℃，與散熱器校核結(jié)果相符，因此原有設(shè)計(jì)不符合要求，需對其進(jìn)行優(yōu)化。

圖2 芯片溫度云圖

圖3 散熱器截面分布云圖

圖4 壓力云圖

2.2 散熱器的優(yōu)化

對散熱器進(jìn)行合理優(yōu)化不僅提高散熱效果，并可減輕散熱器質(zhì)量，符合電子設(shè)備輕型化的發(fā)展趨勢。本文優(yōu)化目標(biāo)是保證集成芯片溫度低于60℃，同時獲得最小熱阻和最小質(zhì)量。進(jìn)行優(yōu)化時選定的設(shè)計(jì)變量為散熱器肋片數(shù)量和肋片厚度，設(shè)計(jì)變量定義時，應(yīng)給出合理的數(shù)值區(qū)間，以縮短求解時間。本次優(yōu)化中，肋片數(shù)量選取為3～7，肋片間距定義為2mm～4mm。獲得優(yōu)化結(jié)果如表1所示。

優(yōu)化后溫度場和壓力場，如圖5、6、7所示。

表1 優(yōu)化參數(shù)

圖5 芯片分布云圖

圖6 散熱器背板溫度云圖

進(jìn)行熱設(shè)計(jì)時一般考慮留有一定的余量，優(yōu)化后熱源最高溫度57.1℃，符合散熱要求。熱源中心位置和散熱器基板靠近中心位置溫度最高，原因是由于熱源和散熱器周邊散熱時阻礙小。優(yōu)化前后的壓力云圖，可以看出優(yōu)化后壓力較優(yōu)化前大，原因是由于肋間距變小，風(fēng)阻變大，所以間距不當(dāng)可能導(dǎo)致散熱效果變差[3]，在設(shè)計(jì)過程中應(yīng)合理布置熱源位置，正確選擇肋片參數(shù)。

圖7 壓力云圖

3 結(jié)論

本文在已有散熱器設(shè)計(jì)方法基礎(chǔ)上，通過ICEPAK仿真軟件，校核了相關(guān)設(shè)計(jì)方案，并進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)過程，優(yōu)化后結(jié)果由66.3℃下降到54℃，符合多軸伺服控制系統(tǒng)散熱要求。

[1]崖華青，翟 華.一種曲軸自動校直液壓機(jī)的檢測系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].鍛壓裝備與制造技術(shù)，2013，48（2）：57-58.

[2]李旭斌，張治民.AZ31鎂合金散熱器等溫?cái)D壓成形金屬流動規(guī)律研究[J].鍛壓裝備與制造技術(shù)，2005，40（5）：70-72.

[3]余建祖.電子設(shè)備熱設(shè)計(jì)及分析技術(shù)[M].北京：高等教育出版社，2002：24-28.

[4]陳德富，蘇 文.光電設(shè)備中功率器件的散熱優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].艦船電子工程，2010，197（11）：166-168.

[5]申傳有，黃 愷，李興全，等.基于ICEPAK的電機(jī)控制器散熱器的熱分析[J].遼寧工業(yè)大學(xué)學(xué)報，2014，34（2）：99-102.