Icepak在电子产品热设计中的应用研究

[摘 要]本文使用Icepak软件对IGBT机柜内的流体流动和传热过程进行了数值模拟计算,得出了相关数据结果。数值模拟计算结果表明采用铝制散热片,在翅片数为20片时,既满足散热需求、保证机柜安全、稳定的运行,又能降低产品成本。

[关键词]电子产品 散热 数值模拟

[中图分类号]TN702[文献标识码]A[文章编号]1007-9416(2009)11-0065-02

1 引言

随着电子工业技术的迅速发展,电子产品由于高速、功率大、频率高,导致发热量增加,散发的热量如不能及时、有效的传递出去就会使热量在元器件内部大量的积聚、温度快速的升高。电子元器件的工作温度范围一般是-5～65℃。相关数据表明:电子元器件的温度升高10℃,系统的可靠性能降低50%。因此,热设计是电子产品结构设计中一个不容忽视的重要环节。

IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)是国外八十年代中期研制成功的新一代大功率摸板,已在各领域中得到了广泛的运用,其散热是很重要的,如果散热差、温度高就会影响系统的正常运行,同时还会大大的缩短元器件的寿命。因此,如何有效解决IGBT的散热就显得日益重要。

本文使用Icepak,在散热器采用不同材质,不同翅片数和间隙值情况下,进行了相关的数值模拟计算,探索缩短产品设计时间,降低产品成本的有效途径。

2 控制方程

本文研究的散热器热源为IGBT,其散热器为翅片散热器,材质为铜,厚度为0.025m,共10个散热翅片;散热器基板下布置有5个热源,每个热源功率为33W;机柜散热方式为风冷,采用质量流量为0.01kg/s的风扇,共3个。设计要求环境温度为20℃时设备的基座温度不能超过65℃。

Navier-Stokes(N-S)方程组是迄今为止描述流体流动最为完备的控制方程组,适用于本研究对象的N-S方程为:

3 IGBT机柜的数值模拟

3.1 网格划分及湍流模型选择

网格划分是数值模拟的一个关键部分,直接影响着数值模拟计算所需的时间和计算结果的精确度。Icepak网格的划分可根据不同的计算对象和要求对模型进行粗网格划分和细网格划分。粗网格划分后网格数为143320个。对其进行细网格划分,沿着翅片高度方向,设置每层为0.004m高的网格层,划分后网格数为218465。

通过Icepak自动计算得出Reynolds和Peclet数分别是12974和9192,因此得出内部流动为湍流。湍流的数学模型一般有三种,即:零方程、一方程和双方程。本文选用零方程数学模型。

3.2 散热特性分析

本文对材质为铜时的散热系统进行数值模拟,其温度分布如图1. 结果表明:材质为铜,翅片为10片,间隙为0.025m时,五个热源的温度分布均为中间高、四周低;整个机柜内中间温度较高,温度最高处分布在中间热源周围达,温度达51.8℃,低于最高容许温度,满足机柜散热需求(见图1、2)。

为降低成本,考虑将材质更换为价格较低的铝,通过Icepak数值模拟其内部温度分布如图2所示,结果显示:将散热器材质更换为铝后,机柜内最高温度为60.3℃,高于材质为铜时最高温度约10℃,降低了机柜散热性能;为在降低设备成本的同时,满足机柜的散热要求,保证机柜能稳定、正常运行,考虑在换用铝作为散热器的同时,增加翅片数、减少翅片间的间距,以增加散热面积,达到提高传热的效果。

使用Icepak软件,对翅片数分别为15、20、30;间隔为0.015m、0.01m、0.0085m时的散热系统进行数值模拟,其结果如图3、4、5所示。

如图3、4所示,当翅片分别为15和20片,间隙为0.015m和0.012m时,机柜内最高温度集中在中间,其最高温度分别为43.9℃和40.0℃,同比翅片数为10、间隙为0.025时的温度下降约15℃和20℃;结果表明,在其他条件不变的情况下,随着翅片数的增加、翅片间隙的减少,扩展了散热器整体的散热面积,结果导致散热器表面热阻下降,散热量增大,提高了散热效率。

4 结语

当散热器材质为铜、厚度为0.025m时,机柜内最高温度为51.8℃,足以满足机柜内热源;当散热器材质更换铝时,随着散热翅片数的增加,机柜散热性能有所提高,但当翅片数增加为25片时,机柜内最高温度增加到53.4℃,散热性能反而下降;选择翅片数为20片,间隙为0.012m的铝质散热器,既能满足机柜散热需求,同时也降低了设备成本。

注:本文中所涉及到的图表、注解、公式等内容请以PDF格式阅读原文

推荐访问： 电子产品 研究 设计 Icepak

---