某机载设备散热器的优化设计*

杨雨薇，王婉人，周 尧，张丰华

(西安航空计算技术研究所 第四研究室，陕西 西安 710068)

0 引 言

随着电子技术的高速发展以及对电子设备性能和功率使用要求的提升，使得电子设备的功率密度不断上升[1]，如果不能及时有效的解决电子设备的散热问题，会导致电子设备的使用寿命和可靠性降低，严重时会引起整体设备的损毁。因此，热设计的合理性会直接影响到电子设备的稳定运行及其使用寿命[2]，而常规的可靠性模拟试验耗时长，成本高，不能及时解决散热问题，笔者将利用Flotherm软件对设计中的散热器进行数值仿真计算，分析影响散热器性能的因素，最终得到最优设计方案，降低制造成本。

1 基于Flotherm的热仿真

1.1 热仿真模型

此研究在考虑了仿真计算时间、仿真结果准确性以及保证仿真精度的前提下，对某机载设别机箱的物理模型进行一定程度的简化，三维模型如图1所示。

图1 EMU机箱热仿真三维模型

1.2 边界条件

环境温度为150 ℃，冷却空气温度为84 ℃；整体功耗为38 W，由散热器翅片与空气对流换热；冷却空气流速为75～9 m/s，并在散热器长度方向上加装挡风板；机箱及翅片结构为铝合金6061，散热器基板长152 mm，宽60 mm，厚10 mm，其翅片高度为20 mm，厚度为2 mm；使用先粗化后细化的方式进行网格划分，再利用稳态分析进行仿真求解。

1.3 仿真计算结果

利用Flotherm软件对模型进行仿真计算，以风速为75 m/s，翅片个数为86,翅片长度为11.5 mm为例展示设备的温度分布云图，如图2所示。

图2 温度分布云图

从图2来看，设备温度的分布由热源中心向周围扩散，依靠散热器翅片向空气扩散，由冷却空气带走热量，达到降低温度的作用。同时离出风口越近，温度降低越快。

2 影响散热器性能因素的分析

散热器由翅片和底座构成，理论分析得到其翅片长度以及个数是影响性能的主要因素[3-4]。影响散热器性能的外部因素为冷却空气流速。因此主要对以上因素进行仿真分析，最终得到散热器的最优设计方案。

2.1 翅片长度

保持其他参数不变，分别对不同翅片长度进行计算求解，分析翅片长度对散热器散热性能的影响。结果如图3所示。

图3 翅片长度与散热能力关系曲线图

由图3分析得出，散热能力随翅片长度增加而增加，达到一定长度时，趋势逐渐变缓。考虑制造成本及重量，翅片不宜过长，从结果看，翅片的长度为11.5 mm时最适宜。

2.2 翅片个数

在翅片个数不同的条件下，进行了仿真计算，结果如图4所示。

图4 翅片个数与散热能力关系曲线图

从图4可以得到，散热能力随翅片个数增加而增加，超过一定数量，由于空气对流空间减小，其散热能力开始下降。由图4得出翅片个数为86时，其散热能力最好。

2.3 冷却空气流速

对外部因素研究，分析了不同冷却空气流速对散热器性能的影响，结果如表1所列。

表1 不同风速与散热能力关系

由表1可以看出来，风速越高散热器性能越好，但冷却空气流速越高，产生的噪声越大，会对其他元器件的使用产生一定影响，进而影响电子设备的使用，因此不能一味增大冷却空气流速来提高散热器的散热能力。

2.4 最优设计方案

根据以上分析可以得出散热器的最优设计方案，如表2所列。

表2 最优方案

3 结 论

分析了散热器结构参数和外部环境因素对其散热能力的影响，得到以下结论：

(1)翅片越长，散热器散热能力越好，最终趋于稳定，考虑实际情况翅片不宜过长。

(2)翅片个数越多散热能力越好，超过86时，会减小空气对流空间，散热能力下降。

(3)冷却空气流速越大，其性能越好，考虑到噪声的影响，不建议冷却空气流速过高。