运用Ansys对相变散热器进行热分析及优化

2013-07-13 by:广州Ansys中心来源:仿真在线

1 概述

随着微电子技术及组装技术的发展,现代电子设备正日益成为由高密度组装、微组装所形成的高度集成系统。电子设备日益提高的热流密度,必将使设计人员在产品的结构设计阶段面临热控制带来的严峻挑战。热设计处理不当是导致现代电子产品失效的重要原因,电子元器件的寿命与工作温度有直接的关系。传统的经验设计加样机热测试的方法已经不能适应现代电子设备快速研制、优化设计的需要。利用最新的电子设备热设计及热分析方法,对于提高电子设备的热可靠性具有重要的实用价值。

Ansys作为新颖的有限元分析软件在热分析问题方面具有强大的功能,而且界面友好,易于掌握。用户可以随心所欲地选择图形用户界面方式或命令流方式进行计算。本文就是利用Ansys 的热分析功能对一种特殊的散热器进行了热分析,根据分析结果对散热器进行了优化,取得了较好的效果。

2 相变散热器原理

物质的相变,包括从固相到液相或从液相到气相等过程,都会吸收大量的热量。相变散热器就是利用物质的相变吸收大量的热量,从而起到冷却发热器件的目的。

热管是一种具有极高导热性能的传热元件,它通过在全封闭真空管内工质的蒸发与凝结来传递热量,具有极高的导热性、良好的等温性、冷热两侧的传热面积可任意改变、可远距离传热、可控制温度等一系列优点。由热管组成的换热器具有传热效率高、结构紧凑、流体阻损小等优点。

本文所讨论的相变散热器的结构如图1 所示。由集热板、热管、散热片和相变材料组成。该相变散热器综合利用了物质相变和热管的特性,适合工作在真空环境下,不能进行空气对流散热的情况。电子器件产生的热量传到集热板上,再通过热管把热量传给散热片。

散热片温度升高后,加热相变材料,相变材料在常温下为固相,受热后温度升高,当达到相变材料的熔点时,相变材料发生相变,可以吸收大量的热量,最终起到冷却电子器件的目的。

3 相变散热器模型的简化

相变散热器模型非常复杂,包括的内容较多,必须进行适当的简化,才能利用分析软件进行热分析,模型的简化分为以下几个步骤进行:

a. 根据热管的特性进行简化

热管可以看做一个轴向导热系数非常高的导热器件,轴向热阻可忽略不计。并且热管的冷端和热端温差很小。所以,可以把模型中的集热板和热管的热端简化,假设热管的冷端温度为固定值。

b. 根据一般性进行简化相变

散热器中有很多个散热片,并且每个散热片之间的距离为定制,而热管轴向导热系数非常高,温差很小,可忽略不计。在分析中可以针对一个散热片进行分析,每个散热片两边有散热片之间距离一半厚度的相变材料。

c. 根据对称性进行简化

由相变散热器的结构特点可知,散热器是上下对称的,可以根据对称条件进行简化,只分析一半模型,最终分析模型。

4 模型分析

4.1 分析目的

设计该相变散热器的最终目的是保证某发热电子器件在真空环境下能工作20 分钟,并且散热器的体积最小。散热器的长度和高度已经确定,可以改变的只有散热器的宽度。通过改变散热片的数量和散热片之间的距离来改变散热器的散热能力。如果要使散热器的体积最小,就必须使散热器工作20 分钟后,所有的相变材料刚好比较均匀的完全发生相变。如果要达到此目的,只有改变散热片之间的距离。

4.2 材料参数及边界条件

热管和散热片的材料为铜,相变材料为一种特殊材料,在相变过程中会发生焓变,焓值如表1 所示,材料的其它热特性参数。

假设模型中的热管为恒温90℃,相变材料和散热片的初始温度为20℃。模型的边界上与外界绝热。

4.3 分析步骤

a. 利用proe 三维软件建立如图4 所示的模型,在proe 中运行Ansys Geom 命令,把模型导入到Ansys 中。

b. 建立有限元单元,模型中都采用Solid 70 单元,输入材料参数。

c. 划分网格,分别对各实体进行划分网格,共划分了102112 个网格。

d. 加载,选中热管的所有点,施加温度载荷,再选择其它点,加载初始温度。

e. 求解,新建分析,分析类型为瞬态热分析,设置求解时间为1200 秒,步长为20,进行求解计算。

4.4 结果分析

通过改变散热片之间的距离,进行了多次计算分析,最后确定散热片之间的距离为6mm 时,散热器体积最小,在工作20 分钟后,所有的相变材料基本上完全熔化。图为当散热片之间距离为4mm 时,工作20 分钟后的温度分布图。图为当散热片之间距离为6mm 时,工作20 分钟后的温度分布图。图为当散热片之间距离为8mm 时,工作20 分钟后的温度分布图。

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