二維多孔材料散熱器的熱分析及結(jié)構(gòu)優(yōu)化*

梁小林，丁 莉，曹海琳

(深圳航天科技創(chuàng)新研究院先進材料研究所， 廣東 深圳 518000)

引 言

傳統(tǒng)的風(fēng)冷散熱系統(tǒng)由于所需空間大、噪音大、散熱能力較低等缺點[1]，已不能滿足大功率、高集成度芯片的散熱需求。電子器件芯片的功率不斷增大，而體積卻逐漸縮小，并且大多數(shù)電子芯片的待機發(fā)熱量低而運行時發(fā)熱量大，瞬間升溫快，高溫會對電子器件的性能產(chǎn)生有害影響，縮短產(chǎn)品的使用壽命。散熱器是電子器件散熱或冷卻的主要部件之一，散熱器結(jié)構(gòu)形式的設(shè)計與參數(shù)選取將直接影響散熱效果。

為適應(yīng)電子器件發(fā)熱量和熱流密度不斷升高的發(fā)展趨勢以及電子器件更為嚴(yán)苛的溫度控制要求，迫切需要研制新型散熱器，而新材料新工藝的不斷出現(xiàn)，以及更為先進試驗手段的使用和數(shù)值分析在傳熱與流體流動方面的廣泛應(yīng)用，為散熱器的優(yōu)化設(shè)計和新型散熱器的研制創(chuàng)造了條件。超輕多孔材料具有優(yōu)良的結(jié)構(gòu)效率和主動散熱性能，一直是研究的熱點問題[2-6]。二維多孔材料存在一個易于流動的方向并具有較大的面密度，因此在具有良好的比剛度和比強度的同時也具有良好的散熱性能，研究強迫對流下的散熱性能對其做多功能化設(shè)計具有重要意義[7-11]。

本文對某家電產(chǎn)品中印制電路板(PCB)板上的散熱器進行性能分析及結(jié)構(gòu)優(yōu)化。在翅片散熱器熱分析的基礎(chǔ)上，對2種二維多孔材料散熱器進行了熱分析，對比了3 種散熱器的散熱性能，在改善結(jié)構(gòu)材料輕量化以及良好的散熱特性方面取得了一定成效，有利于家電批量化生產(chǎn)的企業(yè)，降低材料成本，提高產(chǎn)品利潤。

1 控制方程

不考慮自然對流、輻射換熱影響以及流體在壁面處的滑移，對于流體區(qū)域，三維不可壓縮層流定常流動的控制方程可以表示為

質(zhì)量方程

(1)

動量方程

(2)

能量方程

·(UT)=T)

(3)

固體區(qū)域?qū)岱匠蹋?/p>

·(λsT)=0

(4)

式中：U為流體的速度矢量，在x、y、z三個方向上的分量為u、v、w；p為壓力；T為溫度；ρ、Cp、μ分別為流體的密度、比熱容和運動黏度系數(shù)；λf、λs分別為流體和固體的導(dǎo)熱系數(shù)；t為時間。

控制方程的離散是為了將連續(xù)的微分方程離散成相應(yīng)的各個網(wǎng)格的代數(shù)方程組，方便求解。基于控制方程，在有限元分析軟件中對導(dǎo)入的三維熱分析幾何模型與流體空間進行網(wǎng)格劃分，以便計算電子產(chǎn)品內(nèi)部流體的流動特性及溫度分布。本次研究模型中采用了連續(xù)非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格以及六面體占優(yōu)網(wǎng)格，網(wǎng)格貼體以及對固體壁面附近的網(wǎng)格進行局部加密，保證CFD計算的精度。

2 翅片散熱器模型及邊界條件

根據(jù)某家電產(chǎn)品中PCB電路板上現(xiàn)使用的散熱器以及安裝空間大小，建立翅片散熱器幾何模型，其幾何尺寸見圖1及表1，翅片截面為矩形，按等間距排列。

圖1 翅片散熱器幾何模型

參數(shù)長L/mm高H/mm寬W/mm翅片厚度δ1/mm基板厚度δ2/mm質(zhì)量m/g翅片數(shù)n/片尺寸9626551.5915820

現(xiàn)有翅片散熱器的計算域模型如圖2所示，散熱器的材料為6061鋁合金，在進風(fēng)口施加壓力入口邊界條件，風(fēng)壓為0 Pa時，風(fēng)機的最大流量為1.872 m3/min；風(fēng)機風(fēng)量為0 m3/min時，風(fēng)機的最大靜壓為49.29 Pa，入口處溫度均設(shè)為28 ℃。出風(fēng)口為壓力出口，選擇標(biāo)準(zhǔn)大氣壓。計算域壁面為絕熱邊界條件，沿長度方向上的所有表面施加對稱邊界條件。

圖2 翅片散熱器計算域模型

3 仿真結(jié)果分析

3.1 翅片散熱器

高溫環(huán)境下對溫度敏感的儀器設(shè)備的熱保護問題、電子器件散熱問題等均需要有效隔熱和積極散熱措施。在產(chǎn)品測試過程中，往往由于電路板上電子器件絕緣柵雙極型晶體管(IGBT)溫度過高而引起運行故障，因此，在計算過程中對目標(biāo)電子器件IGBT的溫度進行監(jiān)測。在上述邊界條件下，發(fā)熱電子器件為IGBT與整流橋，其工作功率分別為10 W、8 W，整流橋背面與散熱器基板之間涂抹厚度為0.1 mm的導(dǎo)熱硅脂，IGBT與散熱器基板之間貼有厚度為1 mm的矩形陶瓷片，兩兩接觸面之間涂抹厚度為0.1 mm的導(dǎo)熱硅脂。散熱條件為強迫對流，通過風(fēng)扇驅(qū)動相應(yīng)流體，在壓力差作用條件下，冷流體與散熱器進行熱量交換，從而實現(xiàn)對電子設(shè)備的冷卻。

產(chǎn)品正常工作時，電路板上目標(biāo)電子器件IGBT的最高表面溫度為41.23 ℃，如圖3所示。此時，翅片散熱器的最高溫度為36.54 ℃，位于與IGBT相對應(yīng)的位置，溫度高低沿長度、寬度方向呈梯度變化，距離發(fā)熱電子器件越遠(yuǎn)，溫度越低。

圖3 翅片散熱器及電子器件溫度分布

3.2 矩形多孔材料散熱器

多孔材料同時具備輕質(zhì)、多功能和可設(shè)計等特點，在滿足其他功能的同時具有良好的散熱性能。由于多孔金屬材料金屬骨架材料具有高的導(dǎo)熱系數(shù)和較好的通透性，孔穴內(nèi)部強制對流換熱以及這些結(jié)構(gòu)中的高比表面積，使它們具有良好的換熱性能，因此這類材料本身就是優(yōu)良的換熱介質(zhì)。

基于多孔材料優(yōu)良的散熱性能，在現(xiàn)使用散熱器熱分析的基礎(chǔ)上，保持總體參數(shù)設(shè)置不變，僅對散熱器方案進行替換，采用二維多孔材料散熱器進行散熱。參考相關(guān)發(fā)熱電子器件的最高表面溫度，對圖4所示的矩形多孔材料散熱器模型進行了參數(shù)優(yōu)化熱分析。該散熱器特征參數(shù)包括空間尺寸長L、寬W、高H，基板厚度δ以及開孔率Φ，孔隙沿長度和寬度方向周期分布，以此為變量展開分析計算。

圖4 矩形多孔材料散熱器模型

優(yōu)化計算結(jié)果顯示，當(dāng)目標(biāo)電子器件最高表面溫度(如圖5所示)與現(xiàn)有目標(biāo)電子器件最高表面溫度大致相等時，散熱器的開孔率為0.563，質(zhì)量為146 g，輕于現(xiàn)使用散熱器。對應(yīng)矩形多孔材料散熱器的最高溫度為36.55 ℃，與翅片散熱器的最高溫度相當(dāng)，最高溫度出現(xiàn)在與IGBT相對應(yīng)的位置，溫度大小沿長度、寬度方向呈梯度變化。云圖結(jié)果顯示，其溫度分布比翅片散熱器的溫度分布均勻，距離發(fā)熱電子器件越遠(yuǎn)，溫度越低。結(jié)果表明：在強迫風(fēng)冷散熱條件下，矩形多孔材料散熱器的散熱效果要比翅片散熱器的散熱效果好，結(jié)構(gòu)質(zhì)量輕，材料成本低。

圖5 矩形多孔材料散熱器及電子器件溫度分布

3.3 六邊形多孔材料散熱器

六邊形多孔材料散熱器的幾何模型如圖6所示。與矩形多孔材料散熱器類似，優(yōu)化參數(shù)同樣包括空間尺寸長L、寬W、高H，基板厚度δ以及開孔率Φ，孔隙沿長度和寬度方向周期分布。

圖6 六邊形多孔材料散熱器模型

優(yōu)化計算結(jié)果顯示，當(dāng)目標(biāo)電子器件的溫度為41.4 ℃時，結(jié)構(gòu)的開孔率為0.73，對應(yīng)散熱器質(zhì)量m為91.8 g，溫度比使用現(xiàn)有散熱器時目標(biāo)電子器件高出0.2 ℃，在不影響電子器件正常工作的前提下，與現(xiàn)使用的散熱器相比較，減重效果達(dá)到了38.6%，材料成本大大降低。當(dāng)目標(biāo)電子器件的溫度經(jīng)優(yōu)化(如圖7所示)與現(xiàn)有目標(biāo)電子器件溫度大致相等時，結(jié)構(gòu)的開孔率為0.71，對應(yīng)散熱器的質(zhì)量僅為102 g，減重效果明顯。此時，對應(yīng)六邊形多孔材料散熱器的最高溫度為36.61 ℃，與翅片散熱器的最高溫度相差很小，最高溫度出現(xiàn)在與IGBT相對應(yīng)的位置，溫度大小沿長度、寬度方向呈梯度變化。云圖結(jié)果顯示，其溫度分布比翅片散熱器的溫度分布均勻，與矩形多孔材料散熱器的溫度分布相似，距離發(fā)熱電子器件越遠(yuǎn)，溫度越低。結(jié)果表明：在強迫風(fēng)冷散熱條件下，六邊形多孔材料散熱器的散熱效果要比翅片散熱器的散熱效果好，結(jié)構(gòu)質(zhì)量更輕，材料成本更低。

圖7 六邊形多孔材料散熱器及電子器件溫度分布

對比矩形與六邊形2種多孔散熱器的散熱性能，如圖8所示，在強迫風(fēng)冷散熱條件下，隨著結(jié)構(gòu)開孔率的增加即質(zhì)量減小，目標(biāo)電子器件最高表面溫度呈上升趨勢?？傮w上來說，在同等質(zhì)量條件下，多孔材料散熱器的散熱性能比翅片散熱器的散熱性能好，在開孔率相接近的情況下，六邊形多孔材料的散熱效果比矩形多孔材料散熱器的散熱效果好，這是由于六邊形孔比矩形孔有著更大的比表面積，這樣就加快了金屬表面與冷卻流體之間的換熱。

圖8 多孔材料散熱器的散熱性能

當(dāng)目標(biāo)電子器件溫度T近乎相同時，3種不同形式散熱器的減重效果(與現(xiàn)有散熱器重量相比較)對比見表2。結(jié)果表明，多孔材料散熱器更易實現(xiàn)結(jié)構(gòu)輕量化要求，所占空間尺寸更小，在降低材料成本上更有優(yōu)勢，其中六邊形多孔材料效果最佳。

表2 不同結(jié)構(gòu)散熱器的減重效果

4 結(jié)束語

本文利用數(shù)值計算方法，在給定空間內(nèi)設(shè)計二維多孔材料，以提高散熱器的散熱性能和產(chǎn)品的經(jīng)濟效益。結(jié)果表明，對結(jié)構(gòu)的開孔率和微結(jié)構(gòu)的尺寸同時進行優(yōu)化設(shè)計，可以顯著提高散熱器的散熱性能。

1)在同樣的工作環(huán)境中，在強迫對流散熱條件下，相比翅片散熱器，同等質(zhì)量的多孔材料散熱器的散熱效果更好。

2)在同樣的工作環(huán)境中，在強迫對流散熱條件下，相同開孔率的六邊形多孔材料散熱器比矩形多孔材料散熱器的散熱效果好，且更易實現(xiàn)結(jié)構(gòu)輕量化要求。

3)與翅片散熱器比較，目標(biāo)電子器件的工作溫度相接近時，多孔材料散熱器除了具有減重優(yōu)勢外，還具有空間尺寸小的優(yōu)勢。