強迫風(fēng)冷散熱系統(tǒng)的熱結(jié)構(gòu)優(yōu)化

孫傳杰 張孟偉 劉文哲

【摘 要】為使散熱系統(tǒng)同時實現(xiàn)低熱阻、小型化、輕量化的目標(biāo)，有必要對散熱系統(tǒng)進(jìn)行熱結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計，散熱系統(tǒng)的熱-結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計是以散熱器的結(jié)構(gòu)參數(shù)和散熱風(fēng)扇的特性參數(shù)為設(shè)計變量實現(xiàn)目標(biāo)函數(shù)的最小化，強迫風(fēng)冷散熱系統(tǒng)熱結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計的目標(biāo)函數(shù)分別為散熱器到環(huán)境的熱阻、散熱系統(tǒng)的壓降和散熱器的重量。對散熱器結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計使散熱器熱阻最小化的同時散熱器的壓降和重量可能會隨之增大，散熱器冷卻風(fēng)道內(nèi)的壓降增大會影響散熱器的換熱系數(shù)，降低散熱性能。

【關(guān)鍵詞】電力電子器件；熱結(jié)構(gòu)優(yōu)化；方法與策略

前言：

散熱器冷卻風(fēng)道內(nèi)壓降的增大要求必須同時選用更大風(fēng)壓的散熱風(fēng)扇，風(fēng)扇風(fēng)壓的提高會使其噪聲增大，散熱器重量的增大與輕量化的要求矛盾。因此應(yīng)綜合考慮電子設(shè)備結(jié)構(gòu)、風(fēng)扇風(fēng)壓、成本和散熱效率等因素確定散熱器的結(jié)構(gòu)參數(shù)，電子設(shè)備在保證其電力電子器件在規(guī)定溫度范圍內(nèi)安全可靠工作前提下應(yīng)盡量減小散熱系統(tǒng)的壓力損失和重量。基于熱力學(xué)第二定律的最小熵產(chǎn)原理可綜合評價熱阻和壓降對散熱性能的組合效應(yīng)，該原理同時研究了由散熱器熱傳導(dǎo)和壓降引起的熱動力學(xué)損失。

一、強迫風(fēng)冷散熱器熱設(shè)計主要原則

散熱器上下基板厚度、長度、寬度增大散熱器的熱阻都會減小，應(yīng)盡量選用其上限值，但與此同時散熱器的體積和重量也隨之增大，因此為滿足設(shè)備安裝空間，不與其小型化要求相違背，也不可過大。散熱器上下基板厚度設(shè)計的關(guān)鍵是散熱器上基板能夠符合安裝電力電子器件的需求、下基板符合散熱器在設(shè)備內(nèi)部的安裝需求即可。散熱器長度、寬度的選擇在滿足其散熱要求前提下同時都要綜合考慮風(fēng)扇選型和設(shè)備小型化、輕量化的要求，于是本文散熱器的優(yōu)化問題是在散熱系統(tǒng)體積或質(zhì)量一定的條件下盡量減小散熱器熱阻[1]。

散熱器的熱阻隨散熱器總高度和肋片厚度的增大呈現(xiàn)先減小后增大的相同趨勢，因此一味增大散熱器總高度和肋片厚度不僅使得散熱器更大更重，且使散熱系統(tǒng)的散熱性能更差。

散熱器寬度一定條件下肋片間距、通道數(shù)目和肋片厚度相互約束，相互影響，如肋片間距減小時肋片數(shù)目增多，散熱面積增大，使得散熱器熱阻減小，而肋片數(shù)目增多卻同時使得風(fēng)扇風(fēng)量流過的散熱器端面面積減小，于是冷卻空氣流過散熱器的壓降就隨之增大。壓降增大使得風(fēng)扇工作點的風(fēng)量又會減小，散熱性能降低，因此在散熱系統(tǒng)設(shè)計時要依據(jù)散熱器各個肋片參數(shù)對散熱性能的不同影響程度和風(fēng)扇選型確定最佳肋片間距、肋片數(shù)目和肋片厚度。

由強迫風(fēng)冷散熱中風(fēng)速對散熱器熱阻的影響可知，當(dāng)風(fēng)速大于某一值后熱阻的減小非常緩慢，且散熱器壓降隨風(fēng)速增大而顯著增大，所以風(fēng)速的持續(xù)增大對散熱性能并無提高。而散熱器導(dǎo)熱系數(shù)的選擇則主要考慮材料費用和加工費用允許的條件下，應(yīng)盡量選擇導(dǎo)熱系數(shù)較高的材料。常見金屬材料中，鋁生產(chǎn)工藝簡單、有良好的鑄造加工性能和成本較低，一般是優(yōu)先考慮的材料，但在散熱要求特別高的場合選用銅，主要依據(jù)散熱器的允許溫升、重量和成本等指標(biāo)要求而確定。

二、散熱器的多目標(biāo)熱-結(jié)構(gòu)優(yōu)化

根據(jù)電子設(shè)備內(nèi)功耗、溫升、安裝空間、散熱器基板表面安裝電力電子器件的要求等，首先可確定散熱器的材料、長度、寬度、上下基板厚度和總風(fēng)量需求，然后根據(jù)散熱器其余結(jié)構(gòu)參數(shù)和冷卻條件對散熱器熱阻、壓降影響關(guān)系的分析結(jié)果確定散熱器的肋片厚度、肋片間距及肋片數(shù)目。在散熱器寬度一定條件下，散熱器肋片厚度、肋片間距及肋片數(shù)目之間的關(guān)系，分析各參數(shù)間的約束關(guān)系為：

若保持散熱器肋片數(shù)目不變，當(dāng)增大散熱器肋片厚度時熱阻減小，但隨之肋片間距也會減小，而肋片間距的減小又使得散熱器壓降增大；

若保持肋片間距不變，則當(dāng)肋片厚度增大時熱阻隨之減小，但與此同時肋片數(shù)目隨之減少，而肋片數(shù)目的減小使得散熱器的總散熱面積減小帶來散熱器熱阻的增大；

若保持散熱器肋片厚度不變條件下，增多肋片數(shù)目可減小散熱器熱阻和壓降，但肋片數(shù)目增多的同時使得肋片間距減小，又導(dǎo)致散熱器壓降增大，降低散熱器的散熱能力。所以散熱器的肋片間距、肋片厚度、肋片數(shù)目對散熱器熱阻和壓降的影響是相互制約和影響的[2]。

優(yōu)化過程以散熱器的加工和安裝尺寸為約束條件，即保持散熱器體積不變條件下以散熱器的結(jié)構(gòu)參數(shù)和冷卻條件等為設(shè)計變量，應(yīng)用Matlab對散熱器的熱阻和壓降進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計。

三、強迫風(fēng)冷散熱系統(tǒng)的熱-結(jié)構(gòu)優(yōu)化

在強迫風(fēng)冷散熱器的熵產(chǎn)最小化熱結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計中，一般取設(shè)計者可控制的參數(shù)作為設(shè)計變量，如散熱器的肋片高度、肋片長度、肋片厚度、肋片數(shù)目等，優(yōu)化設(shè)計的目標(biāo)函數(shù)為散熱器的熱阻和壓降，屬于有約束多變量多目標(biāo)的優(yōu)化設(shè)計問題，而遺傳算法是適用于多變量優(yōu)化問題的有力方法和途徑，因此本文擬采用遺傳算法對組合型散熱器進(jìn)行熱結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計。遺傳算法將優(yōu)化的目標(biāo)函數(shù)解釋為生物種群對環(huán)境的適應(yīng)性，將優(yōu)化的變量看作生物種群的個體，由當(dāng)前種群出發(fā)，利用合適的復(fù)制、雜交、變異與選擇操作生成新一代的種群，重復(fù)直到求得合乎要求的種群停止。因此遺傳算法采用的是生物進(jìn)化和遺傳的思想，其優(yōu)越性主要是在搜索過程中不易陷入局部最優(yōu)，且在適應(yīng)值函數(shù)不連續(xù)、非規(guī)則條件下也能以很大的概率找到整體最優(yōu)解。

遺傳算法與傳統(tǒng)優(yōu)化算法的不同主要表現(xiàn)在：

（1）遺傳算法不直接作用在參變量集上，而是利用參變量集的某種編碼；

（2）遺傳算法不是從單個點，而是從一個點的群體開始搜索；

（3）遺傳算法利用適應(yīng)值信息，不需要導(dǎo)數(shù)或其他輔助信息；

（4）遺傳算法利用概率轉(zhuǎn)移規(guī)則，而不是確定性規(guī)則。

四、強迫風(fēng)冷散熱器的遺傳算法優(yōu)化

對于通過散熱器散熱的電力電子器件，器件內(nèi)生成的熱量主要通過與之接觸的散熱器以對流和傳導(dǎo)兩種方式散發(fā)至周圍環(huán)境，直接表征散熱器散熱性能的參數(shù)是散熱器與環(huán)境之間的總熱阻，熱阻越小，散熱器表面的溫度越低，散熱系統(tǒng)的散熱性能越好。

雖然散熱器表面溫度得到顯著降低，但同時散熱系統(tǒng)的壓降過大，在實際應(yīng)用中可選擇的風(fēng)扇風(fēng)壓無法滿足過大壓降的要求。因為散熱系統(tǒng)壓降增大要求所選風(fēng)扇的壓力也隨之越大，而風(fēng)扇風(fēng)壓受風(fēng)扇尺寸和實際加工工藝條件的限制，另由于風(fēng)扇的噪音也隨其壓力的增大而增大。因此需要綜合權(quán)衡散熱器的熱阻、壓降對散熱系統(tǒng)散熱性能的不同影響程度，將散熱器到環(huán)境的總熱阻和散熱系統(tǒng)的壓降兩個參數(shù)同時作為目標(biāo)函數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計。

散熱器的熱阻和壓降分別表征的是散熱器的傳熱特性和流體的流動特性，在對散熱器進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計時同時綜合考慮兩方面的特性，采用基于熱力學(xué)第二定律的熵產(chǎn)最小化原理分析散熱器的綜合特性，熵產(chǎn)最小化使得整個系統(tǒng)的不可逆損失整體達(dá)到最小[3]。在電子設(shè)備機殼或其安裝機柜開孔形狀中，相同面積內(nèi)不同形狀的開孔由于開孔率不同使得其對散熱結(jié)果的影響也不同，在滿足安裝機柜承重要求的前提下一般圓形開孔的開孔率大于其他形狀開孔，由于本文電子負(fù)載故障保護設(shè)備散熱器水平放置，且散熱器的冷卻通道直接面對開孔端面，因此本文提出安裝機柜前后門上應(yīng)用與散熱器冷卻風(fēng)道形狀一致的腰形孔開孔方法，機柜前后門進(jìn)風(fēng)口的開孔設(shè)計。

五、結(jié)語

綜上所述，合理設(shè)計散熱風(fēng)道是在不增加散熱器體積和重量條件下有效提高散熱系統(tǒng)散熱性能的另一個優(yōu)化方法，通過優(yōu)化電子設(shè)備及其安裝機柜的機械結(jié)構(gòu)提高進(jìn)入散熱系統(tǒng)冷卻風(fēng)道內(nèi)的風(fēng)量，進(jìn)而提高散熱系統(tǒng)的散熱性能，實現(xiàn)電子設(shè)備的熱-機械優(yōu)化設(shè)計。

【參考文獻(xiàn)】

[1]仇善良，段澤民，司曉亮，李志寶，張松，王瀚林.直升機電子設(shè)備艙瞬態(tài)雷電感應(yīng)磁場特性[J].高電壓技術(shù)，2017，43（05）：1409-1419.

[2]楊文芳，魏強，朱蘭琴.基于有限元分析的機載電子設(shè)備減振設(shè)計[J].振動與沖擊，2016，29（05）：230-234+253.

[3]陳立恒，吳清文，羅志濤，董吉洪，江帆.空間相機電子設(shè)備熱控系統(tǒng)設(shè)計[J].光學(xué)精密工程，2015，17（09）：2145-2152.