基于FloTHERM的風冷機箱散熱設計及優化分析

毛楊礎，許 升，謝 磊

(中國船舶重工集團公司第七二四研究所，南京 211153)

0 引 言

電子設備需要在合適的溫度范圍內才能正常工作。著名的“10 ℃法則”指出“半導體器件的溫度每升高10 ℃，其可靠性就會降低 50%”。因此，電子設備的熱設計是十分重要的。隨著微電子工藝技術的不斷進步，功率器件向著輕、薄、短、小型化發展，并且發熱功率也越來越大，導致發熱熱流密度成倍增加。器件的發熱溫升導致產品可靠性變差。電子設備的散熱性能是影響產品可靠性的重要因素。[1]

電子機箱內，冷板上電子元件發熱熱流密度低于5 W/cm2時多采用風冷的冷卻方式。相比于液冷冷卻，風冷冷卻的結構相對簡單，安全系數相對較高，并且不需要冷卻液輸入輸出，電子機箱可以獨立工作。

眾所周知，熱量是通過熱傳導、熱對流和熱輻射3種方式傳遞的。[2]電子設備的散熱設計就是基于這3種原理，通過盡量減少熱流通路上的熱阻來進行的。在電子設備的熱設計中，對于熱傳導的運用，通常是將導熱系數較高的固體材料與發熱器件接觸，使熱量傳導到散熱面積更大、熱量更易被帶走的物體上。對于熱對流的應用，通常是使溫度較低的氣體或液體流經高溫物體，利用流體粒子運動而帶走熱量，其中包括自然對流和強迫對流。熱輻射是指以電磁波的形式傳遞能量的方式。對于風冷機箱的散熱設計就是遵循以上原理，內部設計合理的風道、散熱器件，對電子元器件進行散熱冷卻，保證機箱能夠正常工作。本文運用電子設備熱分析軟件FloTHERM對某風冷機箱進行了熱設計仿真及優化分析。對風冷機箱冷板進行初步設計并仿真計算，通過對冷板翅片參數進行數值試驗及響應面優化，得到冷板翅片參數的最優組合。通過優化結果分析，得到了風冷冷板設計的指導性結論。

1 物理模型及仿真結果

1.1 物理模型

電子機箱工作的環境溫度為50 ℃，印制板上的芯片最高允許殼溫為80 ℃。整個機箱的尺寸為255 mm×155 mm×265 mm(長×寬×高)。機箱內部分為3個單元。左側控制單元的發熱器件貼著隔板安裝。中間功率單元的發熱器件貼著冷板安裝。右側散熱單元上部預設為風冷冷板，尺寸為230 mm×190 mm(長×寬)。下部安裝軸流風機，尺寸為75 mm×75 mm×15 mm。機箱內部功率單元有兩個主要發熱器件，貼著風冷冷板安裝，分別為熱源1(30 W)、熱源2(100 W)。結構示意圖如圖1所示。

圖1 機箱布局示意圖

1.2 初步仿真結果

機箱安裝板及冷板材料為鋁合金6063，冷板翅片厚度為1 mm，間隙3.5 mm，高度初步設為16.4 mm。根據牛頓冷卻公式Q=CmΔt，取空氣溫升為8 ℃，得到所需空氣流量大約為33.5 CFM?？紤]設計余量，初步選用3個最大風量為23 CFM的風機。由于風機的風量與風壓緊密相關，因此風機工作點不一定在風量最大值處，仿真時需設置風機的靜壓-流量曲線，這樣風機工作風量、風速也參與迭代計算。

對于該機箱的熱仿真分析，本文采用專門進行電子設備熱設計的FloTHERM軟件進行計算。對該風冷機箱各部件進行建模及網格劃分(如圖2所示)，對關鍵部位如散熱翅片、發熱器件附近、風機出口附近等進行了網格加密處理。網格單元數共為1 572 078個，網格最大長寬比不超過15。選用Automatic Algebraic湍流模型及SIMPLE算法迭代求解，并考慮發熱器件與冷板之間的接觸熱阻，以及考慮進出風口風阻特性。設置溫度收斂曲線降到10以下，溫度監控點在連續30步迭代中保持0.5 ℃范圍內的波動時認為計算收斂。[3]計算收斂性良好，監控點溫度曲線如圖3所示。

圖2 仿真模型

圖3 計算監控點溫度曲線

計算完成后得到機箱整體溫度分布、機箱主要散熱元件溫度分布和機箱流體跡線圖，分別為圖4、圖5、圖6。從圖5中可以看出，主要熱源的溫度為74.1 ℃、74.9 ℃，低于元件最高允許工作溫度80 ℃，符合散熱要求，但余量較小。從圖6俯視角度的流場跡線圖可以看出，風機風量僅有較少部分流經機箱右側散熱冷板，有效的換熱面積較少，散熱效率較低。通過后處理數據中可以得到，共有154.2 W熱量傳入冷板，但僅有78.7 W熱量通過冷板散熱齒對流散掉，冷板散熱齒與環境平均對流換熱系數為520 W/(m2K)。因此，后續考慮對散熱布局進行優化設計，提高散熱效率。

圖4 機箱整體溫度分布

圖5 機箱主要散熱元件溫度分布

圖6 機箱俯視角度流體跡線圖

2 優化分析

2.1 優化設計

為對上述散熱方案進行優化，提高散熱效率，考慮在FloTHERM中通過Command Center(CC)模塊對機箱散熱單元進行響應面優化。根據定義的目標函數進行項目的優化設計，首先對輸入變量進行試驗設計，基于試驗設計創建的方案，通過響應面優化進一步進行方案優化設計，這樣可有效提升優化設計效率。

機箱散熱單元中冷板結構參數對散熱效果影響較大，將其作為輸入變量創建試驗方案，兩個發熱元件的中心點溫度作為目標函數。設定冷板及風扇參數變化范圍(如表1所示)，優化模塊自動形成20組試驗方案如表2所示。

表1 輸入變量及其變化范圍

表2 試驗方案

20組試驗方案計算完成后，通過響應面優化得到輸入變量在變化范圍內的最優組合(如表3所示)，可以看出得到的最優組所對應的兩個熱源中心點溫度降低了5 ℃左右，冷板散熱齒與環境平均對流換熱系數為780 W/(m2K)，比初步設計提升了近50%。

2.2 結果分析

根據20組數值試驗結果，得到隨著冷板翅片高度、翅片厚度、翅片個數變化熱源2的中心點溫度分布曲面，見圖7。

表3 輸入變量最優組合

圖7 熱源2溫度隨冷板翅片高度、翅片厚度、翅片個數變化的分布曲面

圖7(a)為翅片高度和翅片個數變化范圍內熱源2溫度分布圖，圖7(b)為翅片高度和翅片厚度變化范圍內熱源2溫度分布圖，圖7(c)為翅片個數和翅片厚度變化范圍內熱源2溫度分布圖。從圖7(a)、7(b)中可以看出翅片高度對熱源溫度變化趨勢的影響是嚴格負相關的，在任一翅片厚度或翅片個數條件下,翅片越高,熱源溫度越低。此現象符合常理，在風機風壓、風量足夠且不變的情況下,翅片越高,散熱面積越大，而熱源溫度越低。但是，在任一翅片高度條件下翅片厚度和翅片個數都能找到一個使熱源溫度最低的情況。從圖7(c)中可以看出，翅片厚度和翅片個數對熱源溫度的影響是相關聯的，不同翅片厚度條件下都能找到一個使熱源溫度最低的翅片個數，并且該數值不是固定的，反之亦然。通過圖8可以更明顯地看到，當翅片厚度從0.5 ～3 mm不斷增加時熱源1的最低溫度點所對應的翅片個數不斷減小。分析其原因，當翅片厚度不斷增加時，由于冷板總寬度190 mm不變，翅片個數會隨之減少來保證翅片間有足夠的空間使流體流過進行換熱。因此，對于總尺寸固定的冷板，使冷板散熱效果較好的翅片間隙總是維持在一個相對穩定的范圍內。從圖8中可知，當熱源1溫度最低時不同厚度的翅片所對應的翅片間隙如表4所示。翅片厚度變化時，最優的翅片間隙總維持在3.5～5 mm，對于常用的1～2.5 mm厚的冷板翅片，其最優的翅片間隙在4 mm左右。

3 結束語

本文運用FloTHERM軟件對某風冷機箱的散熱方案進行初步設計、優化改進。在散熱單元總體尺寸不變的情況下，通過數值試驗并進行響應面優化，得到了使熱源溫度最低時的冷板翅片參數組合，兩個熱源溫度均比初步設計時降低了5 ℃。通過對數值試驗結果的分析，進而得到如下結論：在風機風壓、風量足夠的情況下，翅片越高，散熱面積越大，熱源溫度越低。因此，在結構尺寸允許范圍內及考慮了加工難易程度情況下，盡量增加翅片高度對散熱是有益的；冷板翅片厚度與翅片個數對散熱效果的影響是相關聯的，冷板設計時，并不是翅片越多越好，對于常用的1～2.5 mm厚的冷板翅片，其最優的翅片間隙在4 mm左右。上述結論可對風冷冷板的設計提供有益的參考價值。

圖8 不同翅片厚度情況下翅片數量對熱源1溫度的影響

表4 熱源1溫度最低時不同厚度的翅片所對應的翅片間隙