引言

隨著電子技術(shù)的迅速發(fā)展，電子器件的高頻、高速以及集成電路的密集和小型化，使得單位容積電子器件的發(fā)熱量快速增長(zhǎng)。電子器件正常的工作溫度范圍一般為-5~65℃。研究資料表明，單個(gè)半導(dǎo)體元件的溫度每升高10℃，系統(tǒng)可靠性降低50%。由此可見(jiàn)，芯片散熱問(wèn)題是影響計(jì)算機(jī)性能能否提升的關(guān)鍵因素。

翅片散熱器是一種在電子器件中使用范圍比較廣的散熱器，換熱方式為與空氣進(jìn)行對(duì)流換熱。按照引起流動(dòng)的原因而論，可分為自然對(duì)流和強(qiáng)迫對(duì)流。自然對(duì)流的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)雖然比較低（<10W/K.m2），但因?yàn)槠錈o(wú)活動(dòng)部件、性能穩(wěn)定并且制造成本低這些優(yōu)點(diǎn)，得到最廣泛應(yīng)用。關(guān)于自然對(duì)流散熱器的設(shè)計(jì)優(yōu)化，Avram Bar-Cohen、J.Richard Culham和M.Michael Yovanovich已經(jīng)做了大量的研究。在這些文章中，基本研究的是垂直布置的翅片散熱器。高一博、羅小兵等人對(duì)水平布置的翅片散熱器進(jìn)行優(yōu)化，分析了設(shè)計(jì)尺寸與表面換熱系數(shù)、換熱量和耗材的關(guān)系。

本文從實(shí)際應(yīng)用的角度，對(duì)散熱器導(dǎo)熱性能進(jìn)行CAE模擬研究，對(duì)其結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。首先，利用ANSYS Workbench軟件建立某款設(shè)計(jì)中的帶翅片散熱器的熱固耦合計(jì)算模型，著重分析在散熱器厚度方向不同區(qū)域的散熱性能。根據(jù)分析結(jié)果，提出散熱器結(jié)構(gòu)改進(jìn)的方案。在相同的散熱需求下，新結(jié)構(gòu)能節(jié)約12.24%的材料。

1 散熱器芯片尺寸優(yōu)化問(wèn)題的確定

研究發(fā)現(xiàn)，散熱器芯體結(jié)構(gòu)尺寸對(duì)散熱器性能有很大影響。例如，翅片高度H、波距G、波峰數(shù)M、通道數(shù)N等，都是影響散熱器傳熱特性及流阻特性的重要因素。本文的目的就是通過(guò)調(diào)整散熱器芯體尺寸獲得優(yōu)化設(shè)計(jì)方案。

查閱相關(guān)文獻(xiàn)得知，散熱器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)必須滿足以下要求:

（1）散熱器傳給空氣的熱量Q應(yīng)大于發(fā)動(dòng)機(jī)及傳動(dòng)裝置所要求的散熱量Q1，以保證發(fā)動(dòng)機(jī)的冷卻水溫度和潤(rùn)滑油溫度維持在安全的范圍內(nèi)，一般把Q取為(2.10~1.20)Q1;

（2）散熱器氣側(cè)的泵耗功率應(yīng)盡可能小，至少應(yīng)小于允許的泵耗功率;

（3）在滿足散熱要求的條件下，散熱器應(yīng)具有最少的材料消耗和最小成本;

（4）翅片的間距(管帶的波距G)不宜太小，以免阻力過(guò)大或發(fā)生堵塞。

因此，設(shè)計(jì)散熱器時(shí)應(yīng)根據(jù)冷卻系統(tǒng)的要求，在給定的空間容積條件下，求得最大散熱量，同時(shí)獲得盡量小的風(fēng)扇泵耗功率;或者是在Q和P值一定的前提下，使散熱器所消耗的材料最少(或成本最低)?？梢?jiàn)，這是一個(gè)多重目標(biāo)的優(yōu)化問(wèn)題。在優(yōu)化設(shè)計(jì)中，材料的耗量(或成本)與翅片的厚度，高度有密切的關(guān)系。所以，在本文的優(yōu)化設(shè)計(jì)過(guò)程中，以翅片厚度、高度、數(shù)目為變量，在散熱器散熱量、強(qiáng)度滿足實(shí)際需求的條件下，以質(zhì)量最小為最終目標(biāo)。

2 數(shù)學(xué)物理模型

電子器件在工作過(guò)程中產(chǎn)生的熱量必須通過(guò)散熱器迅速散發(fā)到環(huán)境（在此為空氣）中，以免結(jié)溫過(guò)高而燒毀電子器件。在此模型中，電子器件即熱源產(chǎn)生的熱量先傳導(dǎo)至散熱器基板下表面；然后熱量經(jīng)過(guò)基板傳導(dǎo)至上表面和翅片；基板上表面和翅片與環(huán)境進(jìn)行對(duì)流換熱和熱輻射，最終將電子器件產(chǎn)生的熱量散發(fā)到環(huán)境中。

為了分析模型，減少計(jì)算量，對(duì)散熱器進(jìn)行合理簡(jiǎn)化：

（1）假定每個(gè)翅片間距流道是均勻的；

（2）翅片材料各向同性且熱物理性質(zhì)為常數(shù)；

（3）散熱器基板所受熱量分布均勻；

（4）環(huán)境溫度恒定；

（5）無(wú)接觸熱阻和擴(kuò)散熱阻；

（6）整個(gè)分析過(guò)程是在翅片達(dá)到穩(wěn)態(tài)，即熱平衡的情況下進(jìn)行的。

2.1幾何模型建立

散熱器簡(jiǎn)化后的幾何模型如圖2.1（a）所示。設(shè)置散熱器的長(zhǎng)、寬、高分別為L(zhǎng)、W、H，肋片厚度、高度、數(shù)目、間距分別為t、Hf、N、b。在ANSYS Workbench中的DM模塊直接建立散熱器的三維模型。首先，在平面創(chuàng)建草圖，通過(guò)拉伸操作創(chuàng)建散熱器基板。然后，利用拉伸、陣列等操作建立散熱器翅片。創(chuàng)建后的模型如圖2.1(b)所示。散熱器各尺寸數(shù)據(jù)如表2.1所示。

圖2.1 散熱器幾何模型圖

表2.1 散熱器尺寸參數(shù)數(shù)據(jù)表（mm）

2.2網(wǎng)格劃分

采用自動(dòng)劃分法對(duì)模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，散熱器基板最小尺寸設(shè)為1mm，翅片最小尺寸設(shè)為0.2mm。網(wǎng)格劃分如圖2.2所示。由圖（b）網(wǎng)格劃分情況統(tǒng)計(jì)圖可以看出，最終劃分的網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)數(shù)為810215，單元數(shù)為193052。

圖2.2 網(wǎng)格分析圖

2.3物理參數(shù)及載荷約束設(shè)置

因?yàn)殇X具有價(jià)格低、質(zhì)量輕和高導(dǎo)熱系數(shù)等特點(diǎn)，而鋁合金的力學(xué)性能優(yōu)于金屬鋁的，故翅片散熱器制造材料廣泛使用鋁合金。該散熱器采用6061號(hào)鋁合金。熱源產(chǎn)生的熱量先傳導(dǎo)至散熱器基板下表面，然后熱量經(jīng)過(guò)基板傳導(dǎo)至上表面和翅片，基板上表面和翅片與環(huán)境進(jìn)行對(duì)流換熱和熱輻射，最終將電子器件產(chǎn)生的熱量散發(fā)到環(huán)境中。對(duì)散熱器基板施加熱流密度為6.25×10^-2W/mm²的熱量。散熱器翅片通過(guò)對(duì)流換熱和熱輻射兩種方式散熱。根據(jù)鋁合金的散熱特性，設(shè)對(duì)流換熱系數(shù)為5×10^-5W/(mm²°c)，發(fā)射率為0.4。環(huán)境溫度設(shè)為22°C。

3 分析求解

3.1溫度場(chǎng)求解結(jié)果及分析

散熱器的溫度場(chǎng)及總熱流結(jié)果如圖3.1所示。由圖(a)可以看出，散熱器受熱面處溫度較高，最高溫度為61.70°C。由圖(b)可以看出，總熱流集中在散熱器兩側(cè)壁面上，最大熱流為0.313W/mm²。

圖3.1 溫度場(chǎng)求解結(jié)果

3.2應(yīng)力場(chǎng)求解結(jié)果及分析

將溫度場(chǎng)數(shù)據(jù)導(dǎo)入靜力求解器中，散熱器的總變形及熱應(yīng)力求解結(jié)果如圖3.2所示。由圖(a)可以看出，散熱器基板前后面變形最大，最大變形為5.79×10^-2mm。由圖(b)可以看出，熱應(yīng)變集中在散熱器受熱面上，最大熱應(yīng)變?yōu)?.11×10^-4mm/mm。

圖3.2 散熱器應(yīng)力分析圖

由于受熱面的大小是由實(shí)際工程條件決定的，所以不能隨便改變受熱面的尺寸。但散熱器翅片的結(jié)構(gòu)可根據(jù)實(shí)際散熱需要做出合理優(yōu)化，因此本文將散熱器翅片厚度、高度、數(shù)目（即間距）作為優(yōu)化參數(shù)，對(duì)散熱器進(jìn)行優(yōu)化。

4 散熱器優(yōu)化分析

4.1目標(biāo)驅(qū)動(dòng)優(yōu)化的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

應(yīng)用Workbench進(jìn)行優(yōu)化分析時(shí)通常先定義狀態(tài)參數(shù)和目標(biāo)參數(shù)，查看響應(yīng)分析、優(yōu)化分析、求解并驗(yàn)證結(jié)果。

定義散熱器的狀態(tài)參數(shù)為散熱器質(zhì)量和最大總變形。然后根據(jù)散熱器的結(jié)構(gòu)限制，給定翅片厚度變化條件為0.45mm≤Thickness≤0.55mm，翅片高度變化條件為35mm≤Height≤43mm,翅片數(shù)目變化條件為36≤Number≤44。并且，將翅片厚度、高度、數(shù)目都設(shè)為連續(xù)型變量。求解目標(biāo)為質(zhì)量最小，最大總變形不超過(guò)0.08mm，最高溫度不超過(guò)65°C。

4.2響應(yīng)面的搜索結(jié)果

4.2.1最大、最小值搜索結(jié)果

響應(yīng)面的最大值、最小值結(jié)果如圖4.1所示。由圖可以看出，當(dāng)翅片厚度、高度、數(shù)目均為最小值時(shí)，散熱器質(zhì)量最小。當(dāng)翅片厚度、高度、數(shù)目均為最大值時(shí)，最大總變形及最高溫度取得最小值。說(shuō)明合理地設(shè)置散熱器結(jié)構(gòu)，在保證相同的散熱量條件下，可以減輕散熱器質(zhì)量。

4.1 最大、最小值搜索結(jié)果圖

4.2.2響應(yīng)面的參數(shù)靈敏度結(jié)果

圖4.2為響應(yīng)面的參數(shù)靈敏度結(jié)果。由圖可知，翅片高度對(duì)散熱器質(zhì)量的靈敏度最大，即翅片高度對(duì)散熱器質(zhì)量影響最大。并且，翅片高度增大，散熱器質(zhì)量也將增大。翅片數(shù)目對(duì)散熱器最大變形量的靈敏度最大，且翅片數(shù)目增多，散熱器的最大變形量將減小。翅片高度對(duì)散熱器最高溫度的靈敏度最大，且翅片高度增大，散熱器最高溫度減小。從以上分析可以看出，翅片高度對(duì)散熱器各個(gè)性能的靈敏度最大。

圖4.2 響應(yīng)面的參數(shù)靈敏度結(jié)果圖

4.2.3響應(yīng)面結(jié)果

圖4.3為響應(yīng)面結(jié)果圖。圖（a）為散熱器質(zhì)量對(duì)翅片高度、數(shù)目的響應(yīng)結(jié)果。圖中藍(lán)色區(qū)域質(zhì)量較小，紅色區(qū)域質(zhì)量較大。由圖可以看出，翅片高度較小，數(shù)目較少時(shí)，散熱器質(zhì)量較小，與前述結(jié)論一致。圖（b）為散熱器最大總變形量對(duì)翅片高度、數(shù)目的響應(yīng)結(jié)果。圖中藍(lán)色區(qū)域散熱器的最大總變形量較小，即翅片高度較大、數(shù)目較多區(qū)域。圖（c）為散熱器最高溫度對(duì)翅片高度、數(shù)目的響應(yīng)結(jié)果。圖中藍(lán)色區(qū)域散熱器的最高溫度較小，即翅片高度較大、數(shù)目較多區(qū)域。

圖4.3 響應(yīng)面結(jié)果圖

4.3目標(biāo)驅(qū)動(dòng)優(yōu)化

進(jìn)入Optimization界面，設(shè)置幾何體質(zhì)量最小，最大總變形不超過(guò)0.08mm，最高溫度不超過(guò)65°C，并進(jìn)行優(yōu)化更新。使用響應(yīng)面生成1000個(gè)樣本點(diǎn)，最后程序給出最好的3個(gè)候選結(jié)果。三組候選結(jié)果顯示在優(yōu)化列表中，如圖4.4所示。優(yōu)化結(jié)果以星級(jí)的多少排列方案的優(yōu)劣。

從圖中可以看出，對(duì)于散熱器質(zhì)量和最大總變形項(xiàng)，三組的星級(jí)數(shù)都為2。而對(duì)于最高溫度項(xiàng)，C組星級(jí)數(shù)為1，其他兩項(xiàng)都為0。說(shuō)明在散熱器質(zhì)量和最大總變形量?jī)?yōu)化效果相差不大的情況下，C組最高溫度最低，安全系數(shù)最高。因此，可選取C組優(yōu)化結(jié)果作為最終優(yōu)化結(jié)果。散熱器優(yōu)化前質(zhì)量為0.49kg，優(yōu)化后質(zhì)量為0.43kg，質(zhì)量縮減了12.24%。

圖4.4 目標(biāo)驅(qū)動(dòng)優(yōu)化結(jié)果圖

5 結(jié)論

根據(jù)CAE數(shù)值模擬結(jié)果，可以得到如下結(jié)論：

（1）散熱器受熱面處溫度較高，最高溫度為61.7°C?？偀崃骷性谏崞骰宓膬蓚?cè)壁面上，最大熱流為0.313W/mm²。

（2）散熱器前后基板面變形最大，最大變形為5.79×10^-2mm。熱應(yīng)變集中在散熱器受熱面上，最大熱應(yīng)變?yōu)?.11×10^-4mm/mm。

（3）翅片高度對(duì)散熱器質(zhì)量、最高溫度的靈敏度最大。翅片高度減小，散熱器質(zhì)量減小，但散熱器最高溫度將增大。翅片數(shù)目對(duì)散熱器最大總變形量的靈敏度最大，且翅片數(shù)目增大，散熱器的最大總變形量將減小。

（4）最終優(yōu)化結(jié)果為：翅片厚度為0.456mm,高度為35.067mm，翅片數(shù)目為39。散熱器優(yōu)化前質(zhì)量為0.49kg,優(yōu)化后質(zhì)量為0.43kg，質(zhì)量縮減了12.24%。