陶 美，龔俊杰

(1.揚(yáng)州大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，江蘇 揚(yáng)州 225003；2.中電科技揚(yáng)州寶軍電子有限公司，江蘇 揚(yáng)州 225003)

0 引言

車載主機(jī)箱CPU芯片的集成度、封裝密度以及工作頻率的不斷提高，導(dǎo)致其功率不斷增大，發(fā)熱量大幅上升。CPU溫度過高將會(huì)影響車載主機(jī)機(jī)箱的可靠性及穩(wěn)定性，所以在CPU上加裝散熱器成為降低CPU溫度的必要手段[1]。在散熱器的研究方面，Shih C.J.等[2]采用了熵增最小化方法，這種方法的特點(diǎn)是計(jì)算最小熵增率，通過改變系統(tǒng)的一個(gè)或多個(gè)物理特性，能使設(shè)計(jì)在受有限尺寸和有限時(shí)間約束的條件下，更接近熵增最小化的工作條件。Khan W.A.等[3]通過最小化散熱器的熱阻對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，得到了較好的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。張建臣[4]在介紹風(fēng)冷散熱器的基本組成要素和傳熱原理的基礎(chǔ)上，對(duì)散熱器的傳熱過程進(jìn)行分析研究。王宏偉等[5]探討了材料、加工工藝、扣具、導(dǎo)熱介質(zhì)等對(duì)散熱性能的影響。本文對(duì)車載主機(jī)箱CPU散熱器進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及溫度場(chǎng)分析。

1 散熱器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 材料選擇

散熱器材料的選取主要考慮其導(dǎo)熱性能好、易于加工、延展性好、易獲取的特點(diǎn)。本文確定散熱器所用材料為鋁制平直肋片，采用散熱器與風(fēng)扇組合主動(dòng)散熱型式。

1.2 參數(shù)設(shè)計(jì)

在散熱器肋片間距一定的條件下，散熱總面積與肋片數(shù)及肋厚成正比；與之相反，風(fēng)道截面積與肋片數(shù)及肋厚成反比。為了提高散熱性能，在不改變散熱空間、散熱器材質(zhì)及風(fēng)扇送風(fēng)量的前提下，對(duì)傳統(tǒng)散熱器進(jìn)行結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計(jì)。傳統(tǒng)的散熱器形狀如圖1所示。圖1中，δ為肋厚，S為肋片間距，h為肋高，t為底板厚度。

圖1 散熱器結(jié)構(gòu)示意圖

經(jīng)相關(guān)理論計(jì)算，散熱器肋間距S在4.38 mm～5.18 mm之間，肋高h(yuǎn)為15.3 mm；實(shí)踐中散熱器肋間距S取整為5 mm，肋高h(yuǎn)取整為15 mm。依據(jù)以往設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，肋厚δ分別選取1.5 mm、1.8 mm、2.0 mm建立散熱器模型。

2 散熱器散熱性能測(cè)試

2.1 實(shí)驗(yàn)測(cè)試方案

通過測(cè)量來流風(fēng)速、翅片間的風(fēng)速及CPU表面溫度、翅片不同點(diǎn)的溫度來分析散熱器內(nèi)流體流動(dòng)與換熱情況。在這種模擬情況下所研究的散熱器性能僅與其自身的材料、結(jié)構(gòu)、來流風(fēng)速相關(guān)，由此便可準(zhǔn)確地分析散熱器的散熱性能。

2.2 實(shí)驗(yàn)測(cè)試原理及裝置

采用加熱裝置來模擬CPU芯片的發(fā)熱過程。在實(shí)驗(yàn)測(cè)試過程中將模擬45 W、60 W、80 W的CPU發(fā)熱量。為準(zhǔn)確模擬CPU風(fēng)扇對(duì)散熱器的送風(fēng)情況及CPU的發(fā)熱情況，設(shè)計(jì)了如圖2所示的實(shí)驗(yàn)測(cè)試裝置。通過該裝置測(cè)試在不同功率、不同風(fēng)速條件下散熱器的散熱性能。

圖2 實(shí)驗(yàn)測(cè)試裝置示意圖

2.3 實(shí)驗(yàn)性能分析

記錄CPU散熱器在不同加熱功率和不同風(fēng)速條件下的散熱過程，主要有兩個(gè)方面：①在相同風(fēng)速、不同加熱功率下，從通電瞬間至表面溫度達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，采集CPU表面溫度變化數(shù)據(jù)曲線，分析加熱功率對(duì)散熱器散熱性能的影響；②在相同加熱功率、不同風(fēng)速下，從通電瞬間至表面溫度達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，采集CPU表面溫度變化數(shù)據(jù)曲線，分析風(fēng)速對(duì)散熱器散熱性能的影響。表1為實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果。

由表1可知：模擬芯片表面的平衡溫度隨氣體的流速而變化，說明散熱器的散熱狀況受氣體流速的影響很大。在相同功率下，隨著風(fēng)速的增加，CPU表面溫度上升得越緩慢，且達(dá)到平衡所需時(shí)間越短，CPU表面平衡溫度越低。在低功率情況下，風(fēng)速的提高對(duì)散熱效果影響不是很大；在高功率情況下，風(fēng)速的提高對(duì)散熱效果影響更為明顯，然而存在噪聲較大，散熱器的綜合性能降低。由此得到風(fēng)速為1.0 m/s時(shí)，散熱器綜合性能較好。

表1 實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果

3 散熱器熱仿真分析

3.1 參數(shù)設(shè)置

散熱器型式為平板直肋式，在其他結(jié)構(gòu)參數(shù)一定的條件下，在Workbench中建立肋厚分別為1.5 mm、1.8 mm、2 mm的散熱器結(jié)構(gòu)模型并進(jìn)行仿真分析。散熱器的材料為鋁，密度為2 700 kg/m3,熱傳導(dǎo)系數(shù)為156 W/(m2·℃)，空氣對(duì)流系數(shù)為5.530 W/(m2·℃)，風(fēng)冷對(duì)流系數(shù)為30 W/(m2·℃)。模型采用實(shí)體Solid185單元，節(jié)點(diǎn)數(shù)為167 628個(gè)，網(wǎng)格劃分方法采用Sweep劃分6面體，簡(jiǎn)化后的有限元網(wǎng)格模型如圖3所示。

圖3 散熱器網(wǎng)格模型

3.2 結(jié)果分析

空氣對(duì)流和風(fēng)冷對(duì)流兩種工況下散熱器的熱分析結(jié)果如表2所示。由表2可知：增加了風(fēng)扇的風(fēng)冷對(duì)流散熱性能明顯優(yōu)于空氣對(duì)流散熱，在風(fēng)冷對(duì)流工況下，肋厚為1.5 mm散熱器的散熱性能最佳。

表2 兩種工況下散熱器熱分析結(jié)果

4 車載主機(jī)箱熱仿真分析

車載主機(jī)箱中主要的熱功耗器件是CPU和電源模塊，其余器件發(fā)熱量均較小，故對(duì)其作整板均溫處理。仿真時(shí)不考慮輻射散熱，忽略海拔高度的影響，對(duì)車載主機(jī)箱分別在常溫及高溫狀況下進(jìn)行熱仿真分析。常溫下，空氣溫度設(shè)定為+25 ℃；高溫下，空氣溫度設(shè)定為+85 ℃。

圖4為車載主機(jī)箱的簡(jiǎn)化三維模型，為便于計(jì)算，對(duì)熱量傳遞影響不大的結(jié)構(gòu)進(jìn)行必要的簡(jiǎn)化。運(yùn)用Flotherm軟件進(jìn)行仿真計(jì)算。

圖4 車載主機(jī)箱簡(jiǎn)化模型

通過分析可以得到，車載主機(jī)箱水平放置符合氣體流動(dòng)要求。CPU散熱器在常溫+25 ℃與高溫+85 ℃下的溫度分別為54 ℃與103 ℃，滿足常溫+25 ℃下的CPU散熱器工作溫度低于70 ℃、高溫+85 ℃下的CPU工作溫度低于110 ℃的許可溫度要求。