西安电子科技大学机电工程学院：散热器优化设计：散热器优化设计

　 　
散 热 器 优 化 设 计 3
崔 万 新,韩 　 宁,段 宝 岩,马 伯 渊
( 西 安 电 子 科 技 大 学 机 电 工 程 学 院,　 陕 西 西 安 710071)
摘 　 要,采 用 针 肋 式 散 热 器 对 密 封 电 子 设 备 进 行 自 然 冷 却 时,为 了 获 得 最 佳 温 度 场 主 要 相 关 参 数 的 取值,运 用 正 交 试 验 的 方 法,对 肋 厚,肋 长,肋 高 三 要 素 进 行 优 化 设 计 。 结 果 表 明,该 方 法 不 仅 能 够 得 到 参数 的 最 佳 组 合,而 且 可 以 确 定 其 对 温 度 影 响 的 敏 感 度 。
关 键 词,散 热 器 ;正 交 试 验 ;优 化 设 计中 图 分 类 号,TN305,94　 　 文 献 标 识 码,A　 　 文 章 编 号,1008 - 5300 (2006) 04 - 0007 - 03
Optimized Design of Heat Sink
CU IW an2xin,HAN N ing,DUAN B ao 2yan,MA Bo 2yuan
(School of M echan ical and E lectronic Eng ineering,X idian U niversity,　 X i′ an 710071,China)
Abstract,In order to obtain op timal temperature field,the main relevant parameters of the heat sink need to
be determ ined,when using p in - fin type heat sink in self2cooling technique for sealed electronic equipment.
The orthogonal experiment app roach of op tim izing the p in dep th,p in length,and p in height of the heat sink
was app lied,The results show that this method can get op timal combination of these parameters,and deter2
m ine the sensitivity of the parameters to temperature.
Key words,heat sink; orthogonal experiment; op tim ized design
0　 引 　 言电 子 设 备 的 主 要 失 效 形 式 是 热 失 效 。 随 着 温 度 的增 加,其 失 效 率 呈 指 数 增 长 趋 势 [ 1 ]。 据 研 究,电 子 设备 的 失 效 有 55%是 温 度 超 过 规 定 的 值 引 起 的 [ 2 ]。 因此,对 电 子 设 备 而 言,即 使 是 降 低 1℃ 也 将 使 设 备 的 失效 率 降 低 一 个 可 观 的 量 值,这 对 可 靠 性 高 的 电 子 系 统尤 为 重 要 [ 3 ]。
1　 密 封 式 电 子 设 备 热 控 制 方 法电 子 设 备 的 热 控 制,首 先 从 确 定 元 器 件 或 设 备 的冷 却 方 法 开 始 。 冷 却 方 法 的 选 择 直 接 影 响 元 器 件 或 设备 的 组 装 设 计,可 靠 性,重 量 和 成 本 等 。 对 于 密 封 式 电子 设 备 的 热 控 制 可 采 用 下 面 几 种 方 法,
(1)自 然 冷 却 方 法 。 通 过 导 热,自 然 对 流 和 辐 射换 热 的 单 独 作 用 或 两 种 以 上 换 热 形 式 的 组 合 进 行 冷却 ;
(2)直 接 液 体 冷 却 方 法 。 使 电 子 元 件 浸 没 在 不 影响 系 统 电 气 运 行 的 液 体 中,通 过 传 导 和 对 流 将 热 量 直接 传 给 液 体,适 用 于 体 积 功 率 密 度 较 高 的 电 子 元 器 件或 部 件,也 适 用 于 那 些 必 须 在 高 温 环 境 条 件 下 工 作,且元 器 件 与 被 冷 却 表 面 之 间 的 温 度 梯 度 又 很 小 的 部 件 ;
(3)蒸 发 冷 却 方 法 。 电 子 元 件 耗 散 的 热 量 将 液 体沸 腾 产 生 蒸 汽 而 放 出 热 量,适 用 于 体 积 功 率 密 度 很 高的 元 器 件 或 部 件 ;
( 4)热 电 制 冷 方 法 。 由 载 流 子 流 过 半 导 体 节 点 时势 能 的 变 化 而 引 起 的 能 量 传 递,适 用 于 不 需 要 外 界 动力 而 产 生 负 热 阻 的 制 冷 技 术 ;
(5)热 管 技 术 。 由 于 采 用 了 相 变 传 热,因 此 是 一种 传 热 效 率 很 高 的 导 热 器 件,热 管 使 用 时 关 键 是 减 小两 端 接 触 界 面 上 的 热 阻 。
由 于 环 境 适 应 性 的 要 求,一 些 产 品 要 求 小 型 化,
重 量 轻,抗 高 低 温,耐 湿 热 和 高 强 度,这 就 决 定 了 机 箱为 全 密 封 机 箱,且 散 热 设 计 以 导 热 方 式 为 主 。 由 此 考虑 可 确 定 各 设 计 环 节,PCB优 化 设 计,导 热 板 设 计 和 机箱 外 壳 散 热 设 计 [ 5 ]。 文 中 则 讨 论 机 箱 外 壳 散 热 设 计中 的 针 肋 散 热 器 设 计 和 优 化 。
7
2006年 第 22卷 第 4期
2006,Vol,22 No,4 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　
　 电 子 机 械 工 程
Electro - M echan ica l Eng ineer ing
3 收 稿 日 期,2006 - 01 - 12
1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House,All rights reserved,http://www.cnki.net
2　 电 子 设 备 散 热 器 的 优 化 设 计
2,1　 产 品 描 述该 产 品 由 发 射 模 块,中 间 模 块 和 接 收 模 块 三 部 分组 成,每 个 模 块 由 屏 蔽 板 封 闭 而 独 立 。 散 热 器 与 机 壳同 为 一 体,并 用 高 效 散 热 的 铝 制 成 。 热 设 计 要 求 为 器件 温 度 最 高 不 超 过 100 ℃ 。
尺 　 　 寸,164 mm × 140 mm × 82,6 mm
耗 散 功 率,27,7 W
环 境 温 度,30 ℃ ± 2 ℃
重 　 　 量,3,5 kg
2,2　 计 算 模 型用 商 品 化 热 分 析 软 件 FLOTHERM建 立 整 个 计 算区 域 的 模 型,模 型 包 括 封 闭 腔 内 外 的 流 场 (空 气 ),发热 器 件 和 铝 针 式 散 热 器,如 图 1所 示 。
图 1　 电 子 设 备 仿 真 模 型
2,3　 散 热 器 底 板 厚 度 对 温 度 的 影 响底 板 的 设 计 包 括 底 板 厚 度 和 底 板 长 宽 尺 寸 设 计 。
在 底 板 材 料 确 定 的 条 件 下,底 板 的 厚 度 会 影 响 其 本 身的 热 阻,从 而 影 响 散 热 器 底 板 的 温 度 分 布 和 均 匀 性 。
表 1 　 五 种 厚 度 算 例 的 结 果厚 度 (mm) 最 高 温 度 (℃ ) 最 高 流 速(m,s) 散 热 器 平 均 温 度(℃ )
4 102,23 0,44555 80,029
5 102,03 0,44368 79,811
6 101,85 0,44172 79,618
7 101,68 0,43964 79,443
8 101,5 0,4373 79,254
　 　 从 表 1可 以 看 出 散 热 器 底 板 厚 度 对 平 均 温 度 的 影响 并 不 显 著 。 当 底 板 厚 度 为 4mm时,散 热 器 平 均 温 度过 高,此 时 如 果 仅 仅 增 加 散 热 器 底 板 厚 度 并 不 能 使 器件 的 温 度 得 到 明 显 的 降 低,相 反 却 增 加 了 重 量 和 成 本,
因 此 需 要 采 用 其 它 方 式 来 满 足 降 温 要 求 。
2,4　 正 交 试 验 设 计 和 结 果 分 析
2,4,1　 正 交 试 验 设 计在 针 肋 式 散 热 器 设 计 中,设 计 参 数 为 肋 厚 (针 肋截 面 为 正 方 形 ),肋 长 和 肋 高 。 试 验 证 明,肋 片 以 薄 为宜,但 厚 度 过 小,将 给 加 工 增 加 困 难 ;当 散 热 器 尺 寸 一定 时,减 小 肋 间 距,则 肋 化 系 数 增 加,热 阻 降 低,但 由 于流 体 的 粘 滞 作 用,肋 间 距 过 小 将 引 起 换 热 效 果 变 差 ;肋高 可 增 加 散 热 面 积,但 过 高 会 降 低 刚 度 。 如 上 所 述,我们 取 肋 厚,代 号 为 A;肋 长,代 号 为 B;肋 高,代 号 为 C。
因 子 数 及 水 平 值 如 表 2所 示 。
表 2　 正 交 试 验 的 因 子 数 及 水 平 值水 平项 　 　 目肋 　 厚 (mm) 肋 　 长 (mm) 肋 　 高 (mm)
水 平 1 3 140 8
水 平 2 4 15220
水 平 3 5 16432
2,4,2　 结 果 分 析建 立 分 析 问 题 的 表 格 并 模 拟 计 算 各 个 给 定 条 件 下 的 温度 场,得 到 该 条 件 下 的 最 高 温 度,并 把 计 算 结 果 填 入 表 3中 。
表 3　 计 算 条 件 和 计 算 结 果试 验 号 列 　 　 号肋 　 厚 (mm) 肋 　 长 (mm) 肋 　 高 (mm) 最 高 温 度 (℃ )
1 3 140 8 101,7
2 3 152 20 86,442
3 3 164 32 77,888
4 4 140 32 83,041
5 4 152 8 102,83
6 4 164 20 87,333
7 5 140 20 95,521
8 5 152 32 87,526
9 5 164 8 102,94
　 　 本 文 认 为 温 度 为 100℃ 时 评 为 100分 。 正 交 分 析如 表 4所 示 。
表 4　 正 交 试 验 分 析 表试 验 号 列 　 　 号A B C 得 分
1 1 1 1 101,7
2 1 2 2 86,442
3 1 3 3 77,888
4 2 1 3 83,041
5 2 2 1 102,83
6 2 3 2 87,333
7 3 1 2 95,521
8 3 2 3 87,526
9 3 3 1 102,94
R1 266,03 280,262 307,47
R2 273,204 276,798 269,296
R3 285,987 268,161 248,455
R 19,957 12,101 59,015
8 电 子 机 械 工 程 第 22卷
1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House,All rights reserved,http://www.cnki.net
　 　 分 析 结 果 表 明 三 个 因 子 影 响 最 终 结 果 的 主 次 顺 序为,肋 高 影 响 最 大,肋 厚 次 之,肋 长 影 响 最 小 。 由 于 希望 温 度 越 小 越 好,所 以 本 试 验 最 佳 的 匹 配 结 果 为,
C3A1 B3,即 肋 高 32 mm,肋 厚 3 mm,肋 长 164 mm。
2,4,3　 利 用 正 交 分 析 结 果 进 行 温 度 场 分 析由 分 析 结 果 知 道 肋 厚 为 3 mm,肋 长 为 164 mm,肋高 为 32 mm。 利 用 FLOTHERM软 件 分 析 可 得 到 它 的温 度 场,其 Z截 面 温 度 等 高 线 云 图 和 速 度 流 场 图 如 图
2所 示,散 热 器 温 度 云 图 如 图 3所 示 。
图 2　 Z截 面 温 度 和 速 度 云 图图 3　 散 热 器 温 度 云 图
3　 结 　 论
(1)利 用 FLOTHERM 软 件 可 以 为 电 子 设 备 快 速建 模,利 用 有 限 容 积 法 进 行 流 体 计 算,并 可 以 得 到 温 度场,速 度 场 和 压 力 场 的 分 布 云 图,给 电 子 设 备 的 设 计 工程 师 提 供 参 考,大 大 缩 短 设 计 时 间 。
(2)散 热 器 的 设 计 和 优 化 对 温 升 控 制 有 比 较 好 的改 善,提 高 了 电 子 设 备 的 可 靠 性 。
(3)正 交 试 验 的 分 析 结 果 表 明 在 肋 厚,肋 长 和 肋高 这 三 个 因 子 当 中,影 响 温 度 效 果 的 主 次 顺 序 为,肋 高影 响 最 大,肋 厚 次 之,肋 长 影 响 最 小,为 以 后 电 子 设 备的 散 热 器 设 计 提 供 了 依 据 。
(4)在 满 足 上 述 条 件 下 的 电 子 设 备 中,散 热 器 的 最 佳尺 寸 为,肋 厚 为 3 mm,肋 长 为 164 mm,肋 高 为 32 mm,最高 温 度 为 77,888 ℃ 。
参 考 文 献,
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作 者 简 介,崔 万 新 (1976 - ),男,西 安 电 子 科 技 大 学机 电 工 程 学 院 硕 士 研 究 生,研 究 方 向 为 电 子 设 备 热 设 计 。
韩 　 宁 ( 1971 - ),男,西 安 电 子 科 技 大 学 机 电 工程 学 院 教 师,工 学 博 士,副 教 授,主 要 研 究 方 向 为 电 子设 备 热 设 计 及 数 值 传 热 技 术 。
9第 4期 崔 万 新,等,散 热 器 优 化 设 计 　
1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House,All rights reserved,http://www.cnki.net