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基于烟囱效应的电子设备自然散热设计

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0 引言

目前常用的几种电子设备冷却方式中,自然散热因无需依靠风机、水泵等机械运动部件,具备可靠性高、免维护、无噪音、低能耗等优点,被广泛应用于通讯基站、光伏发电、LED照明、安防等多个领域。自然散热的性能对采用自然冷却的电子设备而言至关重要,在某些场合甚至成为制约设备性能提升的瓶颈因素之一。

散热结构形式与自然散热换热性能有着密切的联系。平行直肋由于散热效率高、易加工成型、重量轻的特点,在自然散热电子设备上得到广泛的应用。目前已有较多关于平行肋自然散热结构的几何尺寸优化的研究。实验研究表明,对于平板散热结构而言,存在最佳的间距和高度尺寸以达到更好的自然散热效果。针对自然对流流速较小、对流换热系数较低的特点,为提高自然对流换热系数,改善散热性能,广泛存在于建筑行业的烟囱效应被尝试应用于电子设备的散热设计中。

本文针对某自然散热电子设备的冷却需求,综合考虑重量、散热效果、加工成型等因素,采用平行直翅散热结构,翅片间距、高度和厚度尺寸参考优化后的固定值。在翅片重量不增加的基础上,设计了曲面翅和底部高、顶部低的渐变轮廓散热结构,并运用FloEFD流体计算力学软件对不同散热结构下的自然对流换热进行了对比研究。采用曲面翅与盖板结合的烟囱结构形式,利用烟囱效应的自抽吸作用提高翅间风速,增强自然对流换热。最后,通过热模拟件在自然散热条件下的温度实测对比,验证了优化前后的自然散热性能提升和仿真结论。

1 自然散热设计

1.1 物理模型

本文研究的电子设备由带有散热结构的壳体、盖板及安装在其内部的发热器件组成。壳体的底板一侧设置散热翅片,另一侧安装有发热器件。发热器件产生的热量通过底板传导至另一侧的散热翅片,散热翅片通过自然对流换热将热量扩散至环境空气中,实现电子设备的自然散热。

该电子设备与垂直方向成10°夹角倾斜安装。散热壳体底板的尺寸为450mm×240mm×4mm(宽××厚),16个离散分布的发热块安装在底板表面,总发热量为140W。散热壳体材质为导热系数较高的6系铝合金,为改善底板的热扩展性能,降低热源温度,在底板上内嵌热管强化换热。综合考虑散热效果、重量、成型工艺等因素,翅片厚度t,间距s,高度h分别为1.5mm10mm55mm。散热器具体结构尺寸如图1所示。

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1.2 散热结构优化

为提升自然散热能力,对散热翅片结构进行了优化设计。在保证散热结构总重量不变的前提下,采用底部高、顶部低的渐变轮廓翅片替代原来的矩形直翅,增大散热翅片在自然对流入口段的换热面积,充分利用入口效应较高的对流换热系数进行散热。两种自然散热结构如图2所示。

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为有效提高自然上升气流与散热翅片的换热效率,增加空气在散热翅片间的流程,采用扇形曲面翅片(如图2(b)所示)实现自然散热。与直翅结构相比,曲面翅可增大散热翅片的换热面积,同时可对自然上升气流起引导、分流作用,特别是在电子设备顶部有遮挡物,需要侧面排风的情况下。

为进一步提升自然对流的空气流速,在曲面散热翅片的顶部增加盖板,形成多个并排烟囱结构,利用烟囱效应强化自然散热效果。带盖板的散热翅片结构如图3所示。

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1.3 仿真计算设置

运用CFD软件FloEFD12对直翅、曲面翅以及曲面翅片带盖板3种结构形式进行仿真计算,算例中采取以下几条假设条件对计算模型进行适当简化:

1)仿真计算中求解的流场和温度场均为稳态条件下的结果;

2)流动介质空气为物性随温度变化的理想气体;

3)未考虑热辐射对传热的影响。

为真实反映自然对流换热特性,特别是上升气流的尾流对流场的影响,计算域在竖直方向上的尺寸至少为散热模型的2倍。计算域设置如图4所示。

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计算边界条件设置如下:

1)环境温度为50

2)设备总发热量为140W

3)重力加速度方向设置为与垂直方向成10°夹角,重力加速度值取当地值

4)流体和固体的物性参数采用FloEFD自带的物性库参数。

1.4 网格无关性验证

文中介绍的仿真算例均采用有限体积方法和六边形网格进行数值计算。为保证散热翅片区域有足够的网格数量反映其流动换热特性,网格采取局部加密处理。

为保证仿真结果尽可能接近真实值,对计算网格进行了网格无关性验证。网格数量分别为26.5万,47.6万,97.1万,132万,189万。当网格数量从132万增大至189万时,参考点的温度值变化小于0.5%,可认为继续增大网格数对提高仿真计算精度的作用可以忽略。考虑到仿真计算的效率,采用网格总数为132万的仿真模型进行计算。

2 计算结果与分析

为对比不同散热结构对自然散热条件下的流场和温度场的影响,分别对直翅、曲面翅以及曲面翅片带盖板3种模型进行了仿真计算。

2.1 直翅与曲面翅对比

直翅和扇形曲面翅结构的自然散热流场如图5(a)(b)所示。由流场可见,两种结构下自然对流的速度分布及主流方向、速度基本一致,但在翅间风速上存在差别。对于扇形曲面翅,由于翅片方向与重力方向有一定夹角,翅片出口处的风速约在0.250.3m/s之间,略低于直翅出口处0.3m/s左右的风速。

相同发热条件下,直翅和扇形曲面翅两种结构的温度分布如图5(c)(d)所示。由图可见,曲面翅结构的热源最高温度较直翅结构低,从82.3降低至81.0,改善1.3。采用底部高、顶部低的渐变轮廓翅片替代原来的矩形直翅,尽管翅间风速较原结构形式略有下降,但入口区域翅片的高度有所增加。该区域由于入口效应对流换热系数较高,有效换热面积增大,因此换热器的整体散热效果得到增强。

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2.2 烟囱效应的影响

为进一步提高曲面翅翅间的空气流速,基于烟囱效应在其顶部增加一块塑料盖板与之贴合,对两种情况下的流场仿真结果进行了对比分析。如图6所示,在增加盖板后,曲面翅片间空气流速明显增加,同一位置空气流速从原来的0.3m/s增大至0.38m/s,特别是底部的进风口处,空气流速从0.05m/s增大至0.1m/s以上。这说明烟囱结构可对翅片间的自然上升气流产生加速作用,一方面增大翅片间的风速,提高对流换热系数,强化换热;另一方面增大底部进风速度,引入更多新风,有利于降低发热器件温度。

对两种情况下的温度场进行对比,可以看到,增加盖板后,热源最高温度由81.0降低至78.8,降低了2.2

仿真结果的对比分析表明,采用扇形曲面翅散热结构结合顶部加盖板的方式,可以实现在不增加散热结构重量的前提下热源最高温度降低3.5

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3 实验测试

为验证上述仿真结论,按照直翅和扇形曲面翅两种散热结构加工了热模拟件,实物如图7所示。

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对两种热模拟件在自然散热条件下的温度进行了实测。环境温度为16,分别为两个热模拟件加载140W的加热功率,待温度稳定后,运用红外热成像仪和热电偶对热源温度进行实测,红外温度场如图8所示。可以看到,相同条件下,优化后热源最高温度较原结构有明显改善。

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将不同温度测点的温度值(按50环境温度推算)与仿真值进行对比,对比结果如表1所示。

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由表1可见,实测值较仿真值偏低,原因可能是仿真计算中未考虑热辐射对散热的影响。采用扇形曲面翅片带盖板的散热结构与原直翅结构相比,3个位置测点的温度分别降低了2.92.74.4,平均降低3以上,温度改善幅度与仿真值吻合较好。

4 结束语

本文对不同翅片结构在自然对流条件下的流动换热进行仿真计算和对比分析,并对优化前后的热模拟件进行自然散热性能实测,得到如下结论:

1)基于等重原则,采用底部高、顶部低的渐变轮廓翅片替代原来的矩形直翅。相比直翅结构,曲面翅翅间风速略有下降,但由于对流换热面积增大且入口区域翅片高度增加,整体散热效果得到增强。

2)采用扇形曲面翅结合顶部加盖板的结构形式,可利用烟囱效应有效增加翅间和底部进风口处的气流速度,从而改善自然散热效果。

3)热模拟件实测值较仿真值偏低,原因可能是仿真计算中未考虑热辐射对散热的影响。散热结构优化前后不同位置测点的温度平均降低3以上,温度改善幅度与仿真值吻合较好。

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