首页 > 热仿真软件 > Icepak

35.应用icepak分析强迫风冷散热器

icepak Icepak 2011-10-19 15:08:16

应用icepak分析强迫风冷散热器

欧关怀

信息产业部电子二十九研究所

摘要  本文介绍了应用icepak、Qfin等软件对一个强迫风冷散热器进行计算、仿真分析、优化的过程和结果。

1 引言

本文所叙述的风冷散热器,总功率为500W,设计进风温度为50℃,要求冷板最高点温度≤85℃,由于条件较苛刻,因此对散热器设计提出了较高的要求。

我们首先用一般数学计算方法(借助计算机)对散热器进行计算,得到较佳的散热器参数(散热齿高度、厚度、间距)及需要的风量,初选风机;然后用专业热分析软件icepak建立模型、进行仿真分析;最后用了散热器优化软件Qfin对散热器进行了优化,再根据优化结果,确定散热器参数。本文叙述了对散热器进行分析、优化的过程和结果,通过这些软件的综合应用、相互映证,可以提高计算精度、优化结构参数,使散热器满足设计要求,并尽量达到最佳的散热效果,提高设备可靠性。

2 组成与结构

散热器的组成与结构如图1所示。

Icepak- 散热器结构

图1 散热器结构

该散热装置主要由以下部分组成:发热器件两个,散热器,风机两个,通风风道。

处于散热器上面的为发热器件1,总功率为400W,主要集中在前面,即前面部分360W,其余部分40W;处于散热器下面的为发热器件2,功率100W,均匀分布。

3 确定散热器基本参数

根据已知条件、借助经验设定散热器尺寸参数、风机风量,通过公式对散热器性能进行计算,可得到散热器基板平均温度,然后根据计算结果调整尺寸参数及风量,再计算,通过反复几次计算就可以得到一组满足散热条件、且散热性能较好的散热器参数,并选定风机。

4 icepak计算模型

根据散热器结构及初步计算、分析得出的散热器参数,建立icepak计算模型如图2所示。

 

Fan1

Fan2

opening

icepak计算模型

图2  icepak计算模型

计算模型包括以下部分:

a. 热源(sources):发热器件1简化成两个热源,一个为360W(source 1),尺寸60mm×120mm,另一个为40W(source 2),尺寸60mm×180mm,此两个热源紧贴在一个块(block 1)上,block 1紧贴在散热器的散热齿顶面;发热器件2简化成一个热源(source 3),功率100W,尺寸150mm×330mm,紧贴散热器基板上。

b.散热器(heat sink):尺寸220mm×56mm×360mm,基板厚6mm,散热齿厚1mm,间距2mm。由于source2及source3发热功率相对较少,所以其对应位置散热齿高为10mm,中间其余部分挡住,这样可以提高空气流速,使散热器设计更加合理。

c. 块(blocks):block1为solid,紧贴在散热器的散热齿顶面上,厚度为6mm;block2为hollow,处于source2与source3对应散热齿的中间,以挡住空气的流动,并使散热齿的有效高度为10mm;block3及block4同为hollow,分别位于散热器上下面,以挡住空气的流动,并模拟风道。

d.风机(fans):在cabinet上设有两个风机,由流量-压力特性曲线定义,如图3所示。

图3 风机特性曲线

e. 开口(opening):在cabinet上设方形opening一个。

在建立模型后,就可以进行网格划分了,该模型划分的单元数和节点数分别为:440829、477357。

5 计算结果

a. 温度分布

Icepak安装面温度分布

图3  source1、source2安装面温度分布

图3  source3安装面温度分布

散热器截面面温度分布

图3  散热器截面面温度分布

b.压力分布

Icepak仿真压力分布

图4 压力分布


 

c. 速度

图5 速度分布

d.只用一个风机的情况

在所有参数均不变的情况下,将两个风机改为一个风机,计算结果如下:

图6  一个风机时source1、source2及source3安装面温度分布

 

一个风机时压力及速度分布 

图8  一个风机时压力及速度分布

6 Qfin 分析

由于source1的温度是我们设计的关键,所以应用了散热器专用优化软件对source1部分散热器Qfin进行优化。根据icepak计算结果可知:对source1起作用的部分散热器尺寸为长220、宽180、齿高38,散热齿槽内空气流速8.458m/s,输入这些条件即可对散热器参数进行优化,结果如下:

 

QFin Report

优化前参数:

Average fin height : 38.000 mm

Average fin thickness : 1.000 mm

Average gap size: 2.034 mm

Base temperature: 72.96 C (22.96 C above ambient)

优化结果:

 

 General

Filename  :

Description  : New assembly

Report date  : 2001-7-31

 

 Heat sink

Profile: 29-38

Branches  : 61

Blocks : 179

Elements  : 3289

Materials : 180

Surface color: 0.46

Length : 200.000 mm

Orientation  : Base horizontal with fins upwards

Extrusion type  : Regular uniform

Average fin height : 38.514 mm

Average fin thickness : 1.185 mm

Average gap size: 1.845 mm

 

 Ambient Conditions

Air temperature    : 50.00 C

Surrounding wall temp : 50.00 C

Ambient pressure: 101.325 KPa

 

 Convection Details

Convection type : Forced

Air flow determination: ducted fan

Flow rate : 34.81316 l/s

Air speed in fin gaps : 8.423 m/s

Radiation included : Yes

Approx. pressure drop : 162.96 Pa

Heat transfer coeff.  : 36.92990 W/m^2 K

 Solver Options

Maximum iterations : 5000

Minimum iterations : 500

Convergence criteria  : 1.0000

Relaxation factor  : 1.20

Inner loops  : 10

 

 Solution

 

 Date: 2001

 

 Heat source 1

Description  : 29s1

Dimensions: 120.000 x 60.000 mm

Location  : Centered at 88.466,99.945 mm

Orientation  : Horizontal

Average load : 360.00 Watt

Base temperature: 71.16 C (21.16 C above ambient)

Junction temperature  : 71.16 C

 

 Heat sink

Thermal resistance: 0.046 C/W

Maximum thermal resistance : 0.059 C/W

Temperature avg. thermal resis.  : 0.027 C/W

Efficiency (f) : 0.83916

Average temperature of heat sink : 59.75 C (9.75 C above ambient)

Heat sink surface area  : 1.00716308 m^2

Effective heat sink surface area : 0.99996308 m^2

Approximate heat sink mass : 2.16285 kg

优化结果说明

优化前:散热器基板厚6mm,散热齿厚1mm,间距2mm,Qfin计算的基板温度为72.96℃。

优化后:基板厚7mm,散热齿厚1.185mm,间距1.845mm,Qfin计算的基板温度为71.16℃。

7 计算结果应用

从计算结果看,一个风机时,温度增加了约5℃,但均满足设计要求,设计时可以根据重量、尺寸情况选用一个或两个风机。

从优化情况可以看出,优化后散热器最高温度降低了约2℃,所以设计时可根据加工工艺情况采用优化结构尺寸。

 

参考文献

1.  电子设备可靠性热设计手册  GJB/Z 27-92  国防科工委军标发行部出版

2.  传热手册  德国工程师协会工艺与化学工程学会编 化工部六院译 化学工业出版社出版

Icepak资料下载:  FLUENT第一届中国用户大会论文集33-40.pdf

微信 扫一扫 关注 热设计公众号/热设计小程序
热设计公众号   热设计小程序
留言与评论(共有 0 条评论)
   
验证码:

中国热设计网--让你热设计更专业

http://www.resheji.com/

中国热设计网 © 2011-2019 版权所有

微信扫一扫获取更多热点资讯

粤ICP备12094609号