基于Icepak 某微波源的散熱結(jié)構(gòu)優(yōu)化

王永剛 于春生

（南京康友醫(yī)療科技有限公司，江蘇 南京210032）

微波固態(tài)源簡稱微波源，是微波信號的發(fā)生裝置，目前在醫(yī)療領(lǐng)域廣泛應用于腫瘤的微波消融治療[1-2]。我們在開發(fā)便攜類微波治療設(shè)備的過程中，發(fā)現(xiàn)市面上的微波源普遍因存在體積、重量大的弊端而無法直接使用，這給便攜類微波治療設(shè)備的研制帶來很多局限。

本文通過建立基于ICEPAK 的有限元模型，采用單一變量法，依次改變散熱器肋板數(shù)量、厚度，基板厚度，散熱器長度，得出對應的LDMOS 管內(nèi)核溫度，然后繪制各變量與LDMOS 管內(nèi)核溫度的相關(guān)性曲線，據(jù)此對散熱結(jié)構(gòu)進行了優(yōu)化，力求通過縮減微波源體積、重量達到微波治療設(shè)備輕便設(shè)計的目的。

1 微波源結(jié)構(gòu)要求

某便攜微波治療設(shè)備設(shè)計要求總重不得超過8kg，體積不大于320 mm (L)*320 mm (W)*150mm(H)；現(xiàn)有的固態(tài)源總重2.6kg，體積為200 mm (L)*100 mm (W)*100mm(H)。微波源占設(shè)備總重的32.5%，同時由于需要安裝風扇等散熱器件，長度方向空間較為緊張。微波源結(jié)構(gòu)優(yōu)化要求為：不影響散熱器散熱性能的前提下，縮小其體積，重量減輕20%以上。

待優(yōu)化微波源（圖1）微波功率輸出范圍0-100W，主發(fā)熱器件為內(nèi)部的LDMOS 管，通過實驗，其微波輸出效率約為35%，也就是說該微波固態(tài)源輸入功率的2/3 轉(zhuǎn)換成了熱量，滿載熱功耗約為200W，該微波源LDMOS 管的最大允許工作溫度為90℃，其他元器件殼溫不高于60℃，其散熱器結(jié)構(gòu)參數(shù)見表1。

2 散熱器結(jié)構(gòu)分析

目前比較成熟的散熱方式有肋板被動散熱、風冷散熱、液冷散熱、熱管散熱等[3]，從結(jié)構(gòu)復雜程度、工藝易實現(xiàn)、價格低廉等角度考慮，本文沿用風冷散熱方式。同時，待優(yōu)化固態(tài)源風扇風量固定（5CFM），其對散熱效果的影響本文不做討論。

圖1 某微波源結(jié)構(gòu)簡圖

表1 某微波源散熱結(jié)構(gòu)參數(shù)

2.1 理論分析

采用散熱基板處于恒熱流的邊界條件并假設(shè)肋板僅存在高度方向的溫度梯度，且忽略熱對流及熱輻射的影響，系統(tǒng)溫度達到穩(wěn)態(tài)時可用下式表示[4]:

其中，m 與肋板材料、流體物性、橫截面尺寸有關(guān)，此處為常值[5]，對（1）求解得。

假設(shè)LDMOS 熱功耗為P，則將肋基處的熱流密度為：

其中：t 為散熱器溫度值，tf為環(huán)境溫度，λ 為散熱器材料導熱系數(shù)，A 為肋板橫截面積，h 為距離基板長度。從式（4）可以看出，散熱器不同部位溫度從基板至頂端呈雙曲余弦函數(shù)規(guī)律變化。

2.2 建立仿真模型

ANSYS ICEPAK 軟件是Fluent 公司開發(fā)的一款面向于專業(yè)電子熱分析領(lǐng)域的軟件，將有限元熱分析應用于電子產(chǎn)品的在設(shè)計開發(fā)階段可減少重復性驗證工作、提高一次成功率及可靠性。仿真分析時，常通過簡化結(jié)構(gòu)、刪除對產(chǎn)熱散熱影響不大的阻容器件等方式簡化散熱模型，以節(jié)省計算時間[6]，微波固態(tài)源的主要發(fā)熱器件為內(nèi)部的LDMOS 管，簡化模型并劃分網(wǎng)格。

2.3 仿真參數(shù)設(shè)置

采用單一變量法分析散熱器主要結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)對散熱效果的影響，仿真參數(shù)設(shè)置為：散熱器材質(zhì)為6061-T4 合金，導風罩材質(zhì)為06Cr19Ni10，熱源熱功耗200W，風扇風量5CFM，周圍環(huán)境溫度20℃，不考慮輻射換熱、自熱對流的影響，同時將仿真計算的迭代步數(shù)設(shè)置為200 步，F(xiàn)low 的殘差值設(shè)置為0.001，Energy 的殘差值設(shè)置為1e-7。

2.4 仿真結(jié)果分析

ICEPAK 中有限元模塊計算收斂后，說明整個產(chǎn)、散熱系統(tǒng)基本達到穩(wěn)態(tài)，通過后處理面板設(shè)置得微波固態(tài)源熱穩(wěn)態(tài)后的溫度場云圖如圖2 所示。

圖2 微波源溫度分布云圖

從圖2 的分析結(jié)果可以看出，整個溫度場分并不均勻，左邊溫度高于右邊，說明熱源位置會對散熱效果產(chǎn)生影響，同時，LDMOS 管的核心最高溫度為78.94℃。

基于上述模型，依次改變肋板數(shù)量、厚度，散熱器基板厚度，散熱器長度得出各變量與LDMOS 管內(nèi)核溫度相關(guān)性曲線如圖3 所示。通過相關(guān)性曲線可以看出，在一定范圍內(nèi)，基板厚度、肋板數(shù)量、散熱器長度隨著數(shù)值的增加，LDMOS 管的降溫趨勢趨緩。這說明，通過盲目增加基板厚度、散熱器數(shù)量、散熱器長度的方式提高散熱效果的方式是不明智的。

3 散熱器結(jié)構(gòu)優(yōu)化

3.1 結(jié)構(gòu)優(yōu)化

基于圖3 所示的相關(guān)性曲線并考慮加工工藝，將原微波固態(tài)源散熱器的基板厚度由20mm 調(diào)整為23mm,肋板厚度由2mm調(diào)整為0.8mm, 肋板數(shù)量由22 個調(diào)整為60 個，散熱器長度由200mm 調(diào)整為150mm，據(jù)此得優(yōu)化后的微波固態(tài)源結(jié)果如圖4（a）所示。

3.2 仿真驗證

用相同的方法在ICEPAK 軟件中建立優(yōu)化后的微波固態(tài)源有限元分析模型。通過仿真結(jié)果圖4（b）可以看出，結(jié)構(gòu)優(yōu)化后，LDMOS 管的最高溫度由78.94℃降為72.83℃，降低7.7%，同時，重量由原先的2.6kg 將為1.8kg,減少31%，長度由200mm 降為150mm，減少25%。

結(jié)束語

圖3 散熱器結(jié)構(gòu)與LDMOS 最高溫度的相關(guān)性分析

圖4 優(yōu)化后的微波源及溫度分布云圖

為滿足微波治療設(shè)備便攜的需求，對微波固態(tài)源的散熱結(jié)構(gòu)進行了優(yōu)化設(shè)計。首先，通過簡化結(jié)構(gòu)建立基于ICEPAK 的有限元分析模型，然后通過單一變量法依次改變模型中散熱器的肋板數(shù)量、厚度，基板厚度，散熱器長度等參數(shù)，得出散熱器主要結(jié)構(gòu)參數(shù)與LDMOS 最高溫度的相關(guān)性曲線，并基于此優(yōu)化原有散熱器結(jié)構(gòu)參數(shù)。最后將結(jié)構(gòu)優(yōu)化后的微波固態(tài)源散熱效果與優(yōu)化前做對比：優(yōu)化后散熱性能提升7.7%，重量減輕31%，長度減少25%，完全滿足預定的結(jié)構(gòu)優(yōu)化要求。本文的優(yōu)化和仿真結(jié)果可為同類散熱產(chǎn)品的優(yōu)化設(shè)計提供方法和參考數(shù)據(jù)。