用Icepak热分析软件对散热器进行热设计

2015年12月舰船电子对抗Dec.2015第38卷第6期SHIPBOARD ELECTRONIC COUNTERMEASUREVol 38 No. 6用 Icepak热分析软件对散热器进行热设计陈斯文1,吕梦琴2,吴洁3(1.海军驻南京地区电子设备军事代表室,南京210039;2.中国电子科技集团公司第55研究所,南京210016;3.江西机电职业技术学院,南昌33013)摘要:散热器广泛用于电子产品的热设计,用于改善散热能力。散热器的传热方式包括3种:结构内部的导热传热、与周围空气的对流传热、辐射传热。选择散热器材料时除考虑热设计外还要兼顾抗冲击和振动的结构设计。论述了散热器的设计方法,用 Icepak CFD热分析软件进行热设计的步骤包括建立模型、加载边界条件、检查结果等。优化时观察产品的最高温度数值,对肋片散热器肋片厚度、肋片数量进行优化,使产品的温度最低。为了验证仿真的正确性,进行了试验测试,仿真数据与实验数据一致。关键词:温度;散热器;热设计中图分类号:TN03文献标识码:A文章编号: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引言要求的电子设备进行结构热设计。为了改善散热性能,通常采用散热器传热。传统的散热器设计方随着电子元器件功率密度的不断增加、设备的法是首先进行理论计算,再借鉴工作经验略加改进,小型化发展,温度已经成为影响其可靠性的主要因基本沿用旧的结构。这样的散热器结构往往体积素。电子设备不断向高功率高密度的方向发展,如大质量重散热效果差。用 Icepak软件设计的散果高功耗元器件的热量不能及时散发出去,会导致热器体积、电子设备可靠性降低,这就要求对工作温度有较高性高。TYH中国煤化工周期短,可靠CNMHG2015-09-23114舰船电子对抗第38卷1散热器的传热方式行热仿真时,软件自动计算出传热系数,误差小,提高了仿真温度的准确度。散热器的传热方式包括3种:结构内部的导热辐射传热是物体以电磁波形式传递能量的过传热、与周围空气的对流传热、辐射传热程,热辐射能够在真空中传递能量。辐射能量交换导热传热存在于固体、液体和气体中,但是导热服从斯蒂芬玻尔兹曼定律机理不相同。金属导体中靠自由电子的运动,非导Q=AE B;o(T-T)(3)电固体中靠晶格结构的振动;液体中主要靠弹性波式中:Q为表面i和j之间辐射传热量;A,为表面i的作用;气体导热是由于气体分子互相碰撞引起的。的面积;e为表面i发射率;B为表面i和表面j之固体导热服从傅里叶传热定律,稳定态热传导方间的辐射交换系数;为玻尔兹曼常数(该常数的值程为:约为567e-8W/(m2k4);T为表面i温度;T为g=MA(T-T)/δ(1)表面j温度。式中:φ为热流量;λ为材料的热传导系数;A为与导热和对流传递的热量和温差成正比,热辐射热量传递方向垂直的面积;TH和TH分别为高温面传递的热量和温度的4次方差成正比。增加辐射散和低温面的温度;8为2个面之间的距离热,需要增加辐射表面积,提高表面发射率。散热器固态的导热传热能力主要由材料的热传导系数的表面处理能够改善发射率,磨光的铝表面发射率决定,热传导系数越高传热能力越强。导热传递的比较低,氧化的铝表面较高,油漆表面的发射率最热量和热传导系数面积温差成正比。电子产品的高。对散热器表面进行涂漆处理增加表面发射率,散热器通常采用铝合金或者无氧铜等导热性能好的改进辐射传热能力金属材料,虽然铜的导热系数比铝高,但因铝比铜轻导热传热、对流传热和辐射传热3种方式传递且价格低,故采用铝质的散热器2。的热量均与面积成正比。导热传递的热量与传递方对流传热是流体流过固体表面时,二者具有不向垂直的面积成正比,对流和辐射传递的热量与表同温度时发生的热交换过程,分为自然对流和强制面积成正比。对于肋片散热器增加肋片的数量,对对流。对流散热符合牛顿冷却公式:流和辐射的表面积也随之增加,增强了散热能力A·△t2散热器的热设计式中:①为热流量;a为对流换热表面传热系数;A为换热面积;△t为流体和壁面的温差用 Icepak热分析软件进行散热器仿真时包括由牛顿冷却公式可以看出,对流传递的热量与几个步骤建立热分析模型、划分网格选择分析类传热系数、换热面积温差成正比。对流传热分为自型施加边界条件和载荷、求解。调用软件库中的散然对流和强迫对流。自然对流是由于流体冷热密度热器部件,设置材料属性基板厚度、肋片厚度和助不同而产生的如散热器放置在地面自然空气环境片数量。分析类型选择稳态温度分析边界条件为中的传热属于自然对流散热。强迫对流是指由于外自然空气对流和辐射散热载荷为热源的功耗,计算力迫使流体流动来传热,如风扇吹散热器冷却,属于仿真结果。强迫对流散热。当散热器在自然空气对流环境下不2.1散热器金属材料的选择能满足温度要求时,采用风扇,进行风冷强迫对流散在设计散热器时首先考虑结构尺寸,体积越大热,增强散热能力。越利于散热,但是散热器所占据的空间和质量会受对流换热表面传热系数与多种参数有关,与结到限制。散热器设计原则为在给定结构尺寸后,质构的特征尺寸、流体速度、流体质量流速、流体比定量小、温度最低满足机加工的要求。散热器的材料压热容、流体动力黏度、流体导热系数流体运动黏应选择热传导系数高的金属材料,一般采用铝合金。度、流体的体膨胀系数、重力加速度、流体热扩散系如果铝合金散热器的散热能力不能满足热设计要数流体与壁面的温差有关。在考虑对流传热系数求,可以做V凵中国煤化工或者铜散热器时,传统的手动理论计算方法带来很大的误差。有但是对于结CNMHG热设计的时候些热分析软件,在热仿真时对流传热系数手动设置,还要兼顾结构的抗力学环境设计和减重设计。铜的这样也会带来误差。但采用 Icepak热分析软件进散热性能优于铝,但铜密度大,导致盒体的质量增第6期陈斯文等:用 Icepak热分析软件对散热器进行热设计115加,不利于减重。另外铜比铝的强度低,盒体结构的散热的散热器时,应首先考虑散热器的装配方向以安全裕度比较低,抗振动、冲击能力差,可能导致结决定散热肋片的走向,其次要考虑散热器的基板厚构损坏。结构尺寸比较小的盒体可以适当考虑采用度、肋片厚度、肋间距。铜材料,但对于结构尺寸大且抗力学环境设计要求仿真重力加速度对散热的影响,建立模型,在散比较高的盒体尽量避免采用铜材料。热器上装配热源,散热器结构尺寸为70mm2.2散热器助片的方向选择50mm×30mm,铝合金材料,热源功耗为3W.散在自然对流散热时,重力加速度的方向对温度热器的结构、热源功率、散热环境3种条件均保持不有较大的影响。设计散热器时要考虑重力加速度的变时,表1列举了环境温度为20℃、自然对流散热方向,热空气垂直地面上升,如果空气能顺利通过散时散热器助片方向对散热效果的影响数据。热器肋片的间隙,更利用散热。在设计靠自然对流表1自然对流散热时、重力加速度方向对散热效果的影响数据散热器的放置方向热源温度说明垂直放置,肋片走向平行于重力方向34.87℃空气顺利上升,散热效果最好水平放置,肋片走向垂直于重力方向37.15℃散热效果次之,温度居中垂直放置肋片走向垂直于重力方向43.42℃散热效果最差,热源温度最高图1为自然对流散热时散热器不同放置方向时的温度分布。图1(a)为散热器垂直放置,肋片走向平行于重力方向;图1(b)为散热器水平放置,肋片44443走向垂直于重力方向;图1(c)为散热器水平放置,肋片走向垂直于重力方向。由此可见,在自然对流散热时,散热器垂直放置,散热器肋片走向平行于重力加速度方向时散热效果最好。2.3散热器基板厚度的优化设计散热器基板厚度对散热效果有很大的影响,当1483热源功耗比较大时,基板的厚度相应增加,基板从热源吸收足够的热量向整个基板传导,再通过肋片散热到周围空气。散热器结构尺寸为70mm×50mm×30mm,热源功耗为10W。表2为散热器结构尺寸、肋片厚度、肋片间距保持不变时基板厚度和温度关系数据。当基板厚度为0.5mm时,热源温度为424384.5℃。随着基板厚度的增加,温度急剧下降,当43.27343.122基板厚度为1.5mm时温度为7.4℃C。基板厚度42.9713增加了1mm,温度下降为7.1℃。当基板厚度由42.6691.5mm增加为7mm时,热源温度变化缓慢。基板2164厚度继续增加,温度以较快的速度反而上升。由此可见,当设计散热器时,基板厚度如果太薄,则温度太高,散热效果差。如果基板太厚,不仅冷却效果(c)差,而且质量太重。当基板的厚度为一最佳数值时,热源温度最低,质量较小。图1中国煤化工度分布2.4散热器助片厚度、肋间距的优化设计肋片要薄而CNMHG略厚而疏。当设计散热器的原则是散热器肋片高度比较小时散热器的结构尺寸确定后,改善制冷效果需要增加散热表面积,减小肋片厚度,增加肋片数量。每增加116舰船电子对抗第38卷1个肋片,则增加1个肋片表面积的散热面,但是当散热表面积减少,传热效果变差,并且增加了散热器肋片的数量增加到一定数量时,散热能力增强速度的质量。当散热器的肋片高度比较大时,如果肋片变缓慢,再继续增加肋片数量,不仅增加了质量,增比较薄,热量聚集在肋片的根部,热量要传导到肋片加了加工难度,而且减弱了散热能力。肋片的数量末端热阻比较大,影响散热效果。散热器肋片的厚有一个最佳数值,需要用专门的热仿真软件进行优度和肋间距(肋片数量数量)最佳时散热效果最好,化得到。如果散热器肋片的高度比较小,肋片厚度温度最低,用 Icepak软件优化得到优化数据。比较大,在肋片间距固定的情况下肋片的数量减少,表2散热器基板厚度和温度关系数据匚基板05mm0mm.5m2m3mm4mn5mn6mn7mn8m9m_10温度84.5℃79.207:4c7.7c76076.8℃7:1c7:2c74c|78.5c79.5c80.0℃如果散热器的结构尺寸已经确定,优化散热器的肋片厚度和肋片间距,使热源的温度最低,设计肋片的厚度时还要考虑加工能力。下面的实例为散热器结构尺寸为70mm×50mm×30mm、功耗为10W、自然对流散热时的散热器优化结果。表3散热器助片厚度、助片个数的优化结果肋厚不同肋片个数时的最高温度5片7片10片80.8℃|76.7℃|80.3100.9℃(a)1mm81.8C76.2℃74.9℃82.9℃温7100表3中,当散热器的肋片厚度为2mm肋片为7片时温度最低,当肋片数量增加到15片时,温度最高。肋片太密集不仅减弱了散热效果,而且增加了机加工的难度,质量也增加了,所以不是肋片越多越好。自然对流冷却时,温度边界层比较厚,如果肋片间距太小,2个肋片的热边界层发生交叉,影响肋片表面的对流。当散热器的肋片厚度为1mm、肋片为10片时温度最低。比较2种肋片厚度时的散(b)热效果,当散热器肋片厚度为2mm肋片数量为7个时的温度为76.7℃;当肋片厚度为1mm、肋片图2散热器的热源分布和温度分布数量为10片时的温度为74.9℃。两者温度比较接间。在设计散热器时,尽量把热功耗大的热源装配近,兼顾机加工能力和质量选择肋片厚度和数量。在散热器基板的中心位置,热源分布均匀,使热源的3测试结果和讨论温度最低。在试验中用点温度计测试温度,表3为环境为验证仿真的正确性进行试验。用 ICEPAK20℃时仿真温度数据和测试数据。仿真数据与测热分析软件仿真散热器结构尺寸为100mm×80试数据一致,仿真数据准确可靠。热源的温度误差mm×30mm、基板厚度为2mm、肋片厚度为2mm、分析:(1)散热器模型误差,仿真时所建立的模型是肋片数量为8个(即肋间距为8mm)、6个热源装配理想模型,而实际加工时可能有机械误差;(2)散热在散热器的基板上。图2(a)为热源装配位置,图2器材料热传导系数引起的误差,仿真时调用软件库(b)为散热器的仿真温度分布。中的材料属性不同批次命属材料的热传导系数有从图2(b)可以看出,装配在散热器一角的热源所差异;(3)中国煤化工用点温度计进温度比较高,由于热源的热量首先以导热传热的方行监测,监CNMHG位置,点温度计式传递到基板和肋片,然后通过基板和肋片的外表本身也存在测量不确定度。面的对流传热和辐射传热把热量散发到周围的空(下转第120页)舰船电子对抗第38卷持供电。配器中的控制电路误动作,进而导致开关误动作当A2与B1主缆某点对地出现短路时,分配器(3)辅助电源的设计1中的开关S2和分配器3中的开关S1断开。负载在辅助电源输入必须加入二极管V4、V5、V6R1将由UA供电,负载R13将由UB供电由于引入了二极管V4、V5、V6,在图2中除非出现若B2-A3主缆某点对地出现短路时,分配器2A、B、C3点同时对地短路的情况,否则辅助电源都中的开关S2和分配器2中的开关S断开。负载可以正常工作R1将由UA供电,负载Ra2与R13将由UB供电辅助电源设计时需要考虑到输入的大范围变当D2一C2出现过流,即负载Rt2或分支缆出现化。这是因为在恒压供电系统中,整个供电链路中对地短路故障时,开关S3在控制电路的作用下断各个节点的电压都不同,而且随着支路负载的变化开,将支路负载从主干缆供电通道切出。而变化根据以上分析,在供电链路中采用T型高压分根据系统工作电压和工作电流,可以选择IX配器,可以有效隔离故障点,从而提高供电的可BL16N250作为主开关管。在额定工作电流靠性。(1.5A)时,电阻R1、R2、R3取值为20mg,其上的4T型高压分配器设计取样电压设置为0.3V。通过实验,电路在各种状态下均能可靠工作。进行T型高压分配器设计时,主要注意以下5结束语几点:1)高压开关器件的选择本文给出了一种T型高压分配器的基本设计图2中的高压开关器件V1、V2、V3应将岸基电思路构建了多节点恒压供电系统,通过故障模拟实源的最高输出电压作为额定工作电压,主要是因为验和长期工作,验证了设计的合理性和可行性。当支路负载未正常工作前或某些支路处于故障状态参考文献时,整个链路的工作电流较小,这样每个节点的电压将与岸基电源输出近乎相等。[1]高艳波深海高技术发展现状及趋势[J].海洋技术,(2)电流取样电阻的选择及基准设定2010,29(3):119-124图2中R1、R2、R3为电流取样电阻,为降低功[2]李明春海缆故障定位分析[J]无线电通信技术,198耗通常其阻值较小。然而阻值过小时,电阻R1、R2、(6):45-47R3上的电压过低将会导致干扰,从而导致T型分(上接第116页)表4散热器仿真温度数据和试验测试数据热源代号3仿真温度64.4℃65.6℃64.2℃66.9℃67.3℃69.7℃实测温度63.1℃65.0℃64.5℃65.3℃68.9℃71.2℃降低了研制成本,缩短了研制周期。4结束语在设计散热器时,选择热传导系数高的金属材参考文献料,在自然对流环境下应考虑肋片的方向,以利于空[1]邱成悌蒋金兴.电子设备结构设计原理[M]南京:东气的流动。对于给定结构尺寸的散热器,优化基板南大学出版社,2005厚度、肋片厚度、肋片间距,还要考虑散热器的机加[2]余建粗,高红霞电子设备热设计及分析技术[M]南工能力,确保热源的温度最低,质量较轻,散热器的京:北YH学出补.20∩8冷却效果最佳。用 ICEPAK CFD热分析软件对散[3]李勤中国煤化工系统的热设计门半导CNMHG热器进行热仿真和优化,仿真数据和试验数据一致,