Ansys在一種相變散熱器設(shè)計(jì)中的應(yīng)用分析案例

1 概述

隨著微電子技術(shù)及組裝技術(shù)的發(fā)展,現(xiàn)代電子設(shè)備正日益成為由高密度組裝、微組裝所形成的高度集成系統(tǒng)。電子設(shè)備日益提高的熱流密度,必將使設(shè)計(jì)人員在產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)階段面臨熱控制帶來的嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。熱設(shè)計(jì)處理不當(dāng)是導(dǎo)致現(xiàn)代電子產(chǎn)品失效的重要原因,電子元器件的壽命與工作溫度有直接的關(guān)系。傳統(tǒng)的經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)加樣機(jī)熱測(cè)試的方法已經(jīng)不能適應(yīng)現(xiàn)代電子設(shè)備快速研制、優(yōu)化設(shè)計(jì)的需要。利用最新的電子設(shè)備熱設(shè)計(jì)及熱分析方法,對(duì)于提高電子設(shè)備的熱可靠性具有重要的實(shí)用價(jià)值。

Ansys作為新穎的有限元分析軟件在熱分析問題方面具有強(qiáng)大的功能,而且界面友好,易于掌握。用戶可以隨心所欲地選擇圖形用戶界面方式或命令流方式進(jìn)行計(jì)算。本文就是利用Ansys 的熱分析功能對(duì)一種特殊的散熱器進(jìn)行了熱分析,根據(jù)分析結(jié)果對(duì)散熱器進(jìn)行了優(yōu)化,取得了較好的效果。

2 相變散熱器原理

物質(zhì)的相變,包括從固相到液相或從液相到氣相等過程,都會(huì)吸收大量的熱量。相變散熱器就是利用物質(zhì)的相變吸收大量的熱量,從而起到冷卻發(fā)熱器件的目的。

熱管是一種具有極高導(dǎo)熱性能的傳熱元件,它通過在全封閉真空管內(nèi)工質(zhì)的蒸發(fā)與凝結(jié)來傳遞熱量,具有極高的導(dǎo)熱性、良好的等溫性、冷熱兩側(cè)的傳熱面積可任意改變、可遠(yuǎn)距離傳熱、可控制溫度等一系列優(yōu)點(diǎn)。由熱管組成的換熱器具有傳熱效率高、結(jié)構(gòu)緊湊、流體阻損小等優(yōu)點(diǎn)。

本文所討論的相變散熱器的結(jié)構(gòu)如圖1 所示。由集熱板、熱管、散熱片和相變材料組成。該相變散熱器綜合利用了物質(zhì)相變和熱管的特性,適合工作在真空環(huán)境下,不能進(jìn)行空氣對(duì)流散熱的情況。電子器件產(chǎn)生的熱量傳到集熱板上,再通過熱管把熱量傳給散熱片。

散熱片溫度升高后,加熱相變材料,相變材料在常溫下為固相,受熱后溫度升高,當(dāng)達(dá)到相變材料的熔點(diǎn)時(shí),相變材料發(fā)生相變,可以吸收大量的熱量,最終起到冷卻電子器件的目的。

3 相變散熱器模型的簡(jiǎn)化

相變散熱器模型非常復(fù)雜,包括的內(nèi)容較多,必須進(jìn)行適當(dāng)?shù)暮?jiǎn)化,才能利用分析軟件進(jìn)行熱分析,模型的簡(jiǎn)化分為以下幾個(gè)步驟進(jìn)行:

a. 根據(jù)熱管的特性進(jìn)行簡(jiǎn)化

    圖1 相變散熱器模型

熱管可以看做一個(gè)軸向?qū)嵯禂?shù)非常高的導(dǎo)熱器件,軸向熱阻可忽略不計(jì)。并且熱管的冷端和熱端溫差很小。所以,可以把模型中的集熱板和熱管的熱端簡(jiǎn)化,假設(shè)熱管的冷端溫度為固定值,如圖2 所示。

    圖2 散熱器簡(jiǎn)化模型一

b. 根據(jù)一般性進(jìn)行簡(jiǎn)化相變

散熱器中有很多個(gè)散熱片,并且每個(gè)散熱片之間的距離為定制,而熱管軸向?qū)嵯禂?shù)非常高,溫差很小,可忽略不計(jì)。在分析中可以針對(duì)一個(gè)散熱片進(jìn)行分析,每個(gè)散熱片兩邊有散熱片之間距離一半厚度的相變材料,如圖3 所示。

    圖3 散熱器簡(jiǎn)化模型二

c. 根據(jù)對(duì)稱性進(jìn)行簡(jiǎn)化

由相變散熱器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)可知,散熱器是上下對(duì)稱的,可以根據(jù)對(duì)稱條件進(jìn)行簡(jiǎn)化,只分析一半模型,最終分析模型如圖4 所示。

    圖4 散熱器簡(jiǎn)化模型三

4 模型分析

4.1 分析目的

設(shè)計(jì)該相變散熱器的最終目的是保證某發(fā)熱電子器件在真空環(huán)境下能工作20 分鐘,并且散熱器的體積最小。散熱器的長(zhǎng)度和高度已經(jīng)確定,可以改變的只有散熱器的寬度。通過改變散熱片的數(shù)量和散熱片之間的距離來改變散熱器的散熱能力。如果要使散熱器的體積最小,就必須使散熱器工作20 分鐘后,所有的相變材料剛好比較均勻的完全發(fā)生相變。如果要達(dá)到此目的,只有改變散熱片之間的距離。

4.2 材料參數(shù)及邊界條件

熱管和散熱片的材料為銅,相變材料為一種特殊材料,在相變過程中會(huì)發(fā)生焓變,焓值如表1 所示,材料的其它熱特性參數(shù)如表2 所示。

  

假設(shè)模型中的熱管為恒溫90℃,相變材料和散熱片的初始溫度為20℃。模型的邊界上與外界絕熱。

4.3 分析步驟

a. 利用proe 三維軟件建立如圖4 所示的模型,在proe 中運(yùn)行Ansys Geom 命令,把模型導(dǎo)入到Ansys 中。

b. 建立有限元單元,模型中都采用Solid 70 單元,輸入材料參數(shù)。

c. 劃分網(wǎng)格,分別對(duì)各實(shí)體進(jìn)行劃分網(wǎng)格,共劃分了102112 個(gè)網(wǎng)格,如圖5 所示。

    圖5 有限元模型

d. 加載,選中熱管的所有點(diǎn),施加溫度載荷,再選擇其它點(diǎn),加載初始溫度。

e. 求解,新建分析,分析類型為瞬態(tài)熱分析,設(shè)置求解時(shí)間為1200 秒,步長(zhǎng)為20,進(jìn)行求解計(jì)算。