散热器有限元分析及优化设计

引言

    随着电子技术的迅速发展，电子器件的高频、高速以及集成电路的密集和小型化，使得单位容积电子器件的发热量快速增长。电子器件正常的工作温度范围一般为-5~65℃。研究资料表明，单个半导体元件的温度每升高10℃，系统可靠性降低50%。由此可见，芯片散热问题是影响计算机性能能否提升的关键因素。

    翅片散热器是一种在电子器件中使用范围比较广的散热器，换热方式为与空气进行对流换热。按照引起流动的原因而论，可分为自然对流和强迫对流。自然对流的表面传热系数虽然比较低（<10W/K.m²），但因为其无活动部件、性能稳定并且制造成本低这些优点，得到最广泛应用。关于自然对流散热器的设计优化，Avram Bar-Cohen、J.Richard Culham和M.Michael Yovanovich已经做了大量的研究。在这些文章中，基本研究的是垂直布置的翅片散热器。高一博、罗小兵等人对水平布置的翅片散热器进行优化，分析了设计尺寸与表面换热系数、换热量和耗材的关系。

    本文从实际应用的角度，对散热器导热性能进行CAE模拟研究，对其结构进行优化设计。首先，利用ANSYS Workbench软件建立某款设计中的带翅片散热器的热固耦合计算模型，着重分析在散热器厚度方向不同区域的散热性能。根据分析结果，提出散热器结构改进的方案。在相同的散热需求下，新结构能节约12.24%的材料。

1 散热器芯片尺寸优化问题的确定

    研究发现，散热器芯体结构尺寸对散热器性能有很大影响。例如，翅片高度H、波距G、波峰数M、通道数N等，都是影响散热器传热特性及流阻特性的重要因素。本文的目的就是通过调整散热器芯体尺寸获得优化设计方案。

    查阅相关文献得知，散热器的结构设计必须满足以下要求:

    （1）散热器传给空气的热量Q应大于发动机及传动装置所要求的散热量Q1，以保证发动机的冷却水温度和润滑油温度维持在安全的范围内，一般把Q取为(2.10~1.20)Q1;

    （2）散热器气侧的泵耗功率应尽可能小，至少应小于允许的泵耗功率;

    （3）在满足散热要求的条件下，散热器应具有最少的材料消耗和最小成本;

    （4）翅片的间距(管带的波距G)不宜太小，以免阻力过大或发生堵塞。

    因此，设计散热器时应根据冷却系统的要求，在给定的空间容积条件下，求得最大散热量，同时获得尽量小的风扇泵耗功率;或者是在Q和P值一定的前提下，使散热器所消耗的材料最少(或成本最低)。可见，这是一个多重目标的优化问题。在优化设计中，材料的耗量(或成本)与翅片的厚度，高度有密切的关系。所以，在本文的优化设计过程中，以翅片厚度、高度、数目为变量，在散热器散热量、强度满足实际需求的条件下，以质量最小为最终目标。

2 数学物理模型

    电子器件在工作过程中产生的热量必须通过散热器迅速散发到环境（在此为空气）中，以免结温过高而烧毁电子器件。在此模型中，电子器件即热源产生的热量先传导至散热器基板下表面；然后热量经过基板传导至上表面和翅片；基板上表面和翅片与环境进行对流换热和热辐射，最终将电子器件产生的热量散发到环境中。

    为了分析模型，减少计算量，对散热器进行合理简化：

   （1）假定每个翅片间距流道是均匀的；

   （2）翅片材料各向同性且热物理性质为常数；

   （3）散热器基板所受热量分布均匀；

   （4）环境温度恒定；

   （5）无接触热阻和扩散热阻；

   （6）整个分析过程是在翅片达到稳态，即热平衡的情况下进行的。

2.1几何模型建立

    散热器简化后的几何模型如图2.1（a）所示。设置散热器的长、宽、高分别为L、W、H，肋片厚度、高度、数目、间距分别为t、H_f、N、b。在ANSYS Workbench中的DM模块直接建立散热器的三维模型。首先，在平面创建草图，通过拉伸操作创建散热器基板。然后，利用拉伸、阵列等操作建立散热器翅片。创建后的模型如图2.1(b)所示。散热器各尺寸数据如表2.1所示。

图2.1 散热器几何模型图