求一个 icepak冷板设计的算例

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应用icepak分析强迫风冷散热器 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. 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. 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. 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 图3 source1、source2安装面温度分布 图3 source3安装面温度分布 图3 散热器截面面温度分布 b. 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 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 : 2001ê731 ( 04:02:36) 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. 图片传不上去,自己想象一下吧!