某機載設(shè)備散熱器的優(yōu)化設(shè)計*

楊雨薇，王婉人，周 堯，張豐華

(西安航空計算技術(shù)研究所 第四研究室，陜西 西安 710068)

0 引 言

隨著電子技術(shù)的高速發(fā)展以及對電子設(shè)備性能和功率使用要求的提升，使得電子設(shè)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(shè)備的散熱問題，會導(dǎo)致電子設(shè)備的使用壽命和可靠性降低，嚴(yán)重時會引起整體設(shè)備的損毀。因此，熱設(shè)計的合理性會直接影響到電子設(shè)備的穩(wěn)定運行及其使用壽命[2]，而常規(guī)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(shè)計中的散熱器進行數(shù)值仿真計算，分析影響散熱器性能的因素，最終得到最優(yōu)設(shè)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(jié)果準(zhǔn)確性以及保證仿真精度的前提下，對某機載設(shè)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(huán)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(fēng)板；機箱及翅片結(jié)構(gòu)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(xì)化的方式進行網(wǎng)格劃分，再利用穩(wěn)態(tài)分析進行仿真求解。

1.3 仿真計算結(jié)果

利用Flotherm軟件對模型進行仿真計算，以風(fēng)速為75 m/s，翅片個數(shù)為86,翅片長度為11.5 mm為例展示設(shè)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(shè)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(fēng)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(gòu)成，理論分析得到其翅片長度以及個數(shù)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(yōu)設(shè)計方案。

2.1 翅片長度

保持其他參數(shù)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(jié)果如圖3所示。

圖3 翅片長度與散熱能力關(guān)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(jié)果看，翅片的長度為11.5 mm時最適宜。

2.2 翅片個數(shù)

在翅片個數(shù)不同的條件下，進行了仿真計算，結(jié)果如圖4所示。

圖4 翅片個數(shù)與散熱能力關(guān)系曲線圖

從圖4可以得到，散熱能力隨翅片個數(shù)增加而增加，超過一定數(shù)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(shù)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(jié)果如表1所列。

表1 不同風(fēng)速與散熱能力關(guān)系

由表1可以看出來，風(fēng)速越高散熱器性能越好，但冷卻空氣流速越高，產(chǎn)生的噪聲越大，會對其他元器件的使用產(chǎn)生一定影響，進而影響電子設(shè)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(yōu)設(shè)計方案

根據(jù)以上分析可以得出散熱器的最優(yōu)設(shè)計方案，如表2所列。

表2 最優(yōu)方案

3 結(jié) 論

分析了散熱器結(jié)構(gòu)參數(shù)和外部環(huán)境因素對其散熱能力的影響，得到以下結(jié)論：

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

(2)翅片個數(shù)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。