基于煙囪效應的電子設備自然散熱設計

熱設計 2021-10-13

0 引言

目前常用的幾種電子設備冷卻方式中，自然散熱因無需依靠風機、水泵等機械運動部件，具備可靠性高、免維護、無噪音、低能耗等優點，被廣泛應用于通訊基站、光伏發電、LED照明、安防等多個領域。自然散熱的性能對采用自然冷卻的電子設備而言至關重要，在某些場合甚至成為制約設備性能提升的瓶頸因素之一。

散熱結構形式與自然散熱換熱性能有著密切的聯系。平行直肋由于散熱效率高、易加工成型、重量輕的特點，在自然散熱電子設備上得到廣泛的應用。目前已有較多關于平行肋自然散熱結構的幾何尺寸優化的研究。實驗研究表明，對于平板散熱結構而言，存在最佳的間距和高度尺寸以達到更好的自然散熱效果。針對自然對流流速較小、對流換熱系數較低的特點，為提高自然對流換熱系數，改善散熱性能，廣泛存在于建筑行業的“煙囪效應”被嘗試應用于電子設備的散熱設計中。

本文針對某自然散熱電子設備的冷卻需求，綜合考慮重量、散熱效果、加工成型等因素，采用平行直翅散熱結構，翅片間距、高度和厚度尺寸參考優化后的固定值。在翅片重量不增加的基礎上，設計了曲面翅和底部高、頂部低的漸變輪廓散熱結構，并運用FloEFD流體計算力學軟件對不同散熱結構下的自然對流換熱進行了對比研究。采用曲面翅與蓋板結合的煙囪結構形式，利用“煙囪效應”的自抽吸作用提高翅間風速，增強自然對流換熱。最后，通過熱模擬件在自然散熱條件下的溫度實測對比，驗證了優化前后的自然散熱性能提升和仿真結論。

1 自然散熱設計

1.1 物理模型

本文研究的電子設備由帶有散熱結構的殼體、蓋板及安裝在其內部的發熱器件組成。殼體的底板一側設置散熱翅片，另一側安裝有發熱器件。發熱器件產生的熱量通過底板傳導至另一側的散熱翅片，散熱翅片通過自然對流換熱將熱量擴散至環境空氣中，實現電子設備的自然散熱。

該電子設備與垂直方向成10°夾角傾斜安裝。散熱殼體底板的尺寸為450mm×240mm×4mm（寬×高×厚），16個離散分布的發熱塊安裝在底板表面，總發熱量為140W。散熱殼體材質為導熱系數較高的6系鋁合金，為改善底板的熱擴展性能，降低熱源溫度，在底板上內嵌熱管強化換熱。綜合考慮散熱效果、重量、成型工藝等因素，翅片厚度t，間距s，高度h分別為1.5mm，10mm，55mm。散熱器具體結構尺寸如圖1所示。

1.2 散熱結構優化

為提升自然散熱能力，對散熱翅片結構進行了優化設計。在保證散熱結構總重量不變的前提下，采用底部高、頂部低的漸變輪廓翅片替代原來的矩形直翅，增大散熱翅片在自然對流入口段的換熱面積，充分利用入口效應較高的對流換熱系數進行散熱。兩種自然散熱結構如圖2所示。

為有效提高自然上升氣流與散熱翅片的換熱效率，增加空氣在散熱翅片間的流程，采用“扇形”曲面翅片（如圖2(b)所示）實現自然散熱。與直翅結構相比，曲面翅可增大散熱翅片的換熱面積，同時可對自然上升氣流起引導、分流作用，特別是在電子設備頂部有遮擋物，需要側面排風的情況下。

為進一步提升自然對流的空氣流速，在曲面散熱翅片的頂部增加蓋板，形成多個并排煙囪結構，利用“煙囪效應”強化自然散熱效果。帶蓋板的散熱翅片結構如圖3所示。

1.3 仿真計算設置

運用CFD軟件FloEFD12對直翅、曲面翅以及曲面翅片帶蓋板3種結構形式進行仿真計算，算例中采取以下幾條假設條件對計算模型進行適當簡化：

1）仿真計算中求解的流場和溫度場均為穩態條件下的結果；

2）流動介質空氣為物性隨溫度變化的理想氣體；

3）未考慮熱輻射對傳熱的影響。

為真實反映自然對流換熱特性，特別是上升氣流的尾流對流場的影響，計算域在豎直方向上的尺寸至少為散熱模型的2倍。計算域設置如圖4所示。

計算邊界條件設置如下：

1）環境溫度為50℃；

2）設備總發熱量為140W；

3）重力加速度方向設置為與垂直方向成10°夾角，重力加速度值取當地值

4）流體和固體的物性參數采用FloEFD自帶的物性庫參數。

1.4 網格無關性驗證

文中介紹的仿真算例均采用有限體積方法和六邊形網格進行數值計算。為保證散熱翅片區域有足夠的網格數量反映其流動換熱特性，網格采取局部加密處理。

為保證仿真結果盡可能接近真實值，對計算網格進行了網格無關性驗證。網格數量分別為26.5萬，47.6萬，97.1萬，132萬，189萬。當網格數量從132萬增大至189萬時，參考點的溫度值變化小于0.5%，可認為繼續增大網格數對提高仿真計算精度的作用可以忽略。考慮到仿真計算的效率，采用網格總數為132萬的仿真模型進行計算。

2 計算結果與分析

為對比不同散熱結構對自然散熱條件下的流場和溫度場的影響，分別對直翅、曲面翅以及曲面翅片帶蓋板3種模型進行了仿真計算。

2.1 直翅與曲面翅對比

直翅和“扇形”曲面翅結構的自然散熱流場如圖5(a)、(b)所示。由流場可見，兩種結構下自然對流的速度分布及主流方向、速度基本一致，但在翅間風速上存在差別。對于“扇形”曲面翅，由于翅片方向與重力方向有一定夾角，翅片出口處的風速約在0.25～0.3m/s之間，略低于直翅出口處0.3m/s左右的風速。

相同發熱條件下，直翅和“扇形”曲面翅兩種結構的溫度分布如圖5(c)、(d)所示。由圖可見，曲面翅結構的熱源最高溫度較直翅結構低，從82.3℃降低至81.0℃，改善1.3℃。采用底部高、頂部低的漸變輪廓翅片替代原來的矩形直翅，盡管翅間風速較原結構形式略有下降，但入口區域翅片的高度有所增加。該區域由于入口效應對流換熱系數較高，有效換熱面積增大，因此換熱器的整體散熱效果得到增強。

2.2 煙囪效應的影響

為進一步提高曲面翅翅間的空氣流速，基于煙囪效應在其頂部增加一塊塑料蓋板與之貼合，對兩種情況下的流場仿真結果進行了對比分析。如圖6所示，在增加蓋板后，曲面翅片間空氣流速明顯增加，同一位置空氣流速從原來的0.3m/s增大至0.38m/s，特別是底部的進風口處，空氣流速從0.05m/s增大至0.1m/s以上。這說明煙囪結構可對翅片間的自然上升氣流產生加速作用，一方面增大翅片間的風速，提高對流換熱系數，強化換熱；另一方面增大底部進風速度，引入更多新風，有利于降低發熱器件溫度。