利用ANSYS進(jìn)行相變散熱器設(shè)計(jì)

1、第4期（總第155期）2009年8月N 014A ug1機(jī)械工程與自動(dòng)化M ECHAN ICAL EN G IN EER N G & AU TOM A T ION文章編號(hào):1672 23413 (2009)0420040 202利用AN SYS進(jìn)行相變散熱器設(shè)計(jì)李如忠（中國(guó)工程物理研究院 電子工程研究所，四川 綿陽(yáng) 621900 ）摘要：利用AN SYS有限元分析軟件對(duì)某一相變散熱器進(jìn)行了熱仿真分析，首先對(duì)模型進(jìn)行了簡(jiǎn)化，然后進(jìn)行了瞬態(tài)熱分析，分析中考慮了材料的相變。通過(guò)分析，提岀了散熱器的改進(jìn)方案，說(shuō)明在散熱器設(shè)計(jì)過(guò)程中進(jìn) 行熱學(xué)仿真分析，可以減少試驗(yàn)成本，縮短產(chǎn)品的開發(fā)周期。關(guān)鍵詞

2、：AN SYS ；有限元分析；熱分析中圖分類號(hào)：TP273 : TP39119文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A1概述熱設(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 。AN SYS作為新穎的有限元分析軟件在熱分析問(wèn) 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AN SYS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

3、對(duì)散熱器進(jìn)行了優(yōu)化,并取得了較好的效果。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(guò)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(guò)在全封閉真空管內(nèi)工質(zhì)的蒸發(fā)與凝結(jié)來(lái)傳遞熱 量，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。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)見(jiàn)圖1。它主要由集熱板、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)

4、生的熱量傳到集熱板上，再通過(guò)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 。2311集熱板；2熱管；3散熱片；4相變材料圖1相變散熱器模型311根據(jù)熱管的特性進(jìn)行簡(jiǎn)化熱管可以看做一個(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

5、簡(jiǎn)化，并假設(shè)熱管的冷端溫度為固定值。散熱器整體模型見(jiàn)圖2圖2散熱器整體模型312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)散熱片之收稿日期：2009202215;修回日期：2009204220作者簡(jiǎn)介：李如忠（19742，男，山東商河人，助理研究員，碩士，主要從事電子產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和CAD軟件二次開發(fā)工作1994-2010 China Academic Jcumal ILlectrcnic Publishing Mouse. A lights reserved, http:.ctiki.tiei2009年第4期李如忠：利用AN SYS進(jìn)行相變散熱器設(shè)計(jì)? 41?間的距離為定制，而熱管

6、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)散熱片兩邊有厚度為散熱片之間距離一半的相 變材料,由此得到一個(gè)散熱片的簡(jiǎn)化模型,見(jiàn)圖3。圖3 一個(gè)散熱片的簡(jiǎn)化模型313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 最終分析模型見(jiàn)圖 4圖4最終分析模型4模型分析411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 m in，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(guò)改變散熱片的數(shù)量和散熱片之 間的距離來(lái)改變散熱器的散熱能

7、力。如果要使散熱器 的體積最小，就必須使散熱器工作20 m in后，所有的相 變材料剛好比較均勻地完全發(fā)生相變。412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(guò)程中會(huì)發(fā)生焓變，焓值見(jiàn)表1,材料的 其他熱特性參數(shù)見(jiàn)表 2。假設(shè)模型中的熱管為恒溫 90 C，相變材料和散熱 片的初始溫度為20 C。模型在邊界上與外界絕熱。表1相變材料的焓溫度(C)08085100焓(J cm3)08001 1221 272表2材料熱特性參數(shù)材料名稱銅相變材料密度(g cm3)8 931. 03導(dǎo)熱系數(shù)W (m? K)3980.6比熱(J (kg? K)3864413分析步驟利用Pr

8、o E三維軟件建立如圖 4所示的模型， 在Pro E中運(yùn)行AN SYS Geom命令，把模型導(dǎo)入到 AN SYS中；建立有限元單元，模型中都采用Solid 70單元，輸入材料參數(shù)；分別對(duì)各實(shí)體進(jìn)行網(wǎng)格劃 分，共劃分了 102 112個(gè)網(wǎng)格，如圖5 所示;選中熱 管的所有點(diǎn)，施加溫度載荷，再選擇其他點(diǎn)，加載初 始溫度；新建分析，分析類型為瞬態(tài)熱分析，設(shè)置 求解時(shí)間為1 200 s,步長(zhǎng)為20,進(jìn)行求解計(jì)算。圖5有限元模型414結(jié)果分析通過(guò)改變散熱片之間的距離，進(jìn)行了多次計(jì)算分 析，最后確定散熱片之間的距離為 6 mm時(shí)，散熱器體 積最小，在工作20 min后,所有的相變材料基本上完全 熔化。圖6

9、為當(dāng)散熱片之間距離為4mm時(shí)，工作20 m in后的溫度分布圖。圖7為當(dāng)散熱片之間距離為 6 mm時(shí)，工作20 m in后的溫度分布圖。圖8為當(dāng)散熱片之間距離為8 mm時(shí)，工作20 m in后的溫度分布圖圖6散熱片距離為4mm的溫度分析結(jié)果1.3S3.Z33as. 1暫丸 Q3N0Z.267B五.133D6750圖7散熱片距離為6mm的溫度分析結(jié)果酣7?a77盹，汕'BS.eiKl7F 1298丄 37&649 7.2629D圖8散熱片距離為8mm的溫度分析結(jié)果5結(jié)論本文利用AN SYS軟件對(duì)一種特殊相變散熱器進(jìn) 行了簡(jiǎn)化、計(jì)算分析，通過(guò)改變散熱片之間的距離，確 定了最優(yōu)結(jié)果。

10、說(shuō)明了在散熱器設(shè)計(jì)過(guò)程中 ，利用 AN SYS進(jìn)行熱學(xué)仿真分析，可以減少試驗(yàn)成本，尋求 最優(yōu)方案。參考文獻(xiàn)：1 張朝暉.AN SYS熱分析教程與實(shí)例解析M .北京：中國(guó) 鐵道出版社，2007.2 李如忠.AN SYS軟件中的單位制分析J.機(jī)械設(shè)計(jì)與制造，2008 (2): 90291.3李如忠 結(jié)構(gòu)隨機(jī)振動(dòng)仿真分析J .機(jī)械,2007 (5): 21 223.2009年第4期李如忠：利用AN SYS進(jìn)行相變散熱器設(shè)計(jì)? 41?Design of Phase-changeRad iator by Using ANSYS2009年第4期李如忠：利用AN SYS進(jìn)行相變散熱器設(shè)計(jì)? 41?L I R

11、u -zhong(In stitute of E lectro nic Engin eeri ng , Chin a A cadem y of Engin eeri ng Physics , M ianyang 621900, China)Abstract : T he therm al simulation analysis of a phase 2change radiato r is done by use of AN SYS, an FEA(F inite E lementA nalysis ) softw are. F irstly , the model is p redigested . T hen the transient therm al analysis is carried out. A t last, the mp roved design of radiato r is p resented. T he therm al sm ulati on p lays an m po rtant ro le in radiato r design cycle.It is helpful no t only inseeking the op tim um soluti on fo r radiato r, but