孫傳杰 張孟偉 劉文哲

【摘 要】為使散熱系統(tǒng)同時(shí)實(shí)現(xiàn)低熱阻、小型化、輕量化的目標(biāo)，有必要對(duì)散熱系統(tǒng)進(jìn)行熱結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)，散熱系統(tǒng)的熱-結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)是以散熱器的結(jié)構(gòu)參數(shù)和散熱風(fēng)扇的特性參數(shù)為設(shè)計(jì)變量實(shí)現(xiàn)目標(biāo)函數(shù)的最小化，強(qiáng)迫風(fēng)冷散熱系統(tǒng)熱結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的目標(biāo)函數(shù)分別為散熱器到環(huán)境的熱阻、散熱系統(tǒng)的壓降和散熱器的重量。對(duì)散熱器結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)使散熱器熱阻最小化的同時(shí)散熱器的壓降和重量可能會(huì)隨之增大，散熱器冷卻風(fēng)道內(nèi)的壓降增大會(huì)影響散熱器的換熱系數(shù)，降低散熱性能。

【關(guān)鍵詞】電力電子器件；熱結(jié)構(gòu)優(yōu)化；方法與策略

前言：

散熱器冷卻風(fēng)道內(nèi)壓降的增大要求必須同時(shí)選用更大風(fēng)壓的散熱風(fēng)扇，風(fēng)扇風(fēng)壓的提高會(huì)使其噪聲增大，散熱器重量的增大與輕量化的要求矛盾。因此應(yīng)綜合考慮電子設(shè)備結(jié)構(gòu)、風(fēng)扇風(fēng)壓、成本和散熱效率等因素確定散熱器的結(jié)構(gòu)參數(shù)，電子設(shè)備在保證其電力電子器件在規(guī)定溫度范圍內(nèi)安全可靠工作前提下應(yīng)盡量減小散熱系統(tǒng)的壓力損失和重量?；跓崃W(xué)第二定律的最小熵產(chǎn)原理可綜合評(píng)價(jià)熱阻和壓降對(duì)散熱性能的組合效應(yīng)，該原理同時(shí)研究了由散熱器熱傳導(dǎo)和壓降引起的熱動(dòng)力學(xué)損失。

一、強(qiáng)迫風(fēng)冷散熱器熱設(shè)計(jì)主要原則

散熱器上下基板厚度、長(zhǎng)度、寬度增大散熱器的熱阻都會(huì)減小，應(yīng)盡量選用其上限值，但與此同時(shí)散熱器的體積和重量也隨之增大，因此為滿足設(shè)備安裝空間，不與其小型化要求相違背，也不可過(guò)大。散熱器上下基板厚度設(shè)計(jì)的關(guān)鍵是散熱器上基板能夠符合安裝電力電子器件的需求、下基板符合散熱器在設(shè)備內(nèi)部的安裝需求即可。散熱器長(zhǎng)度、寬度的選擇在滿足其散熱要求前提下同時(shí)都要綜合考慮風(fēng)扇選型和設(shè)備小型化、輕量化的要求，于是本文散熱器的優(yōu)化問(wèn)題是在散熱系統(tǒng)體積或質(zhì)量一定的條件下盡量減小散熱器熱阻[1]。

散熱器的熱阻隨散熱器總高度和肋片厚度的增大呈現(xiàn)先減小后增大的相同趨勢(shì)，因此一味增大散熱器總高度和肋片厚度不僅使得散熱器更大更重，且使散熱系統(tǒng)的散熱性能更差。

散熱器寬度一定條件下肋片間距、通道數(shù)目和肋片厚度相互約束，相互影響，如肋片間距減小時(shí)肋片數(shù)目增多，散熱面積增大，使得散熱器熱阻減小，而肋片數(shù)目增多卻同時(shí)使得風(fēng)扇風(fēng)量流過(guò)的散熱器端面面積減小，于是冷卻空氣流過(guò)散熱器的壓降就隨之增大。壓降增大使得風(fēng)扇工作點(diǎn)的風(fēng)量又會(huì)減小，散熱性能降低，因此在散熱系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)要依據(jù)散熱器各個(gè)肋片參數(shù)對(duì)散熱性能的不同影響程度和風(fēng)扇選型確定最佳肋片間距、肋片數(shù)目和肋片厚度。

由強(qiáng)迫風(fēng)冷散熱中風(fēng)速對(duì)散熱器熱阻的影響可知，當(dāng)風(fēng)速大于某一值后熱阻的減小非常緩慢，且散熱器壓降隨風(fēng)速增大而顯著增大，所以風(fēng)速的持續(xù)增大對(duì)散熱性能并無(wú)提高。而散熱器導(dǎo)熱系數(shù)的選擇則主要考慮材料費(fèi)用和加工費(fèi)用允許的條件下，應(yīng)盡量選擇導(dǎo)熱系數(shù)較高的材料。常見(jiàn)金屬材料中，鋁生產(chǎn)工藝簡(jiǎn)單、有良好的鑄造加工性能和成本較低，一般是優(yōu)先考慮的材料，但在散熱要求特別高的場(chǎng)合選用銅，主要依據(jù)散熱器的允許溫升、重量和成本等指標(biāo)要求而確定。

二、散熱器的多目標(biāo)熱-結(jié)構(gòu)優(yōu)化

根據(jù)電子設(shè)備內(nèi)功耗、溫升、安裝空間、散熱器基板表面安裝電力電子器件的要求等，首先可確定散熱器的材料、長(zhǎng)度、寬度、上下基板厚度和總風(fēng)量需求，然后根據(jù)散熱器其余結(jié)構(gòu)參數(shù)和冷卻條件對(duì)散熱器熱阻、壓降影響關(guān)系的分析結(jié)果確定散熱器的肋片厚度、肋片間距及肋片數(shù)目。在散熱器寬度一定條件下，散熱器肋片厚度、肋片間距及肋片數(shù)目之間的關(guān)系，分析各參數(shù)間的約束關(guān)系為：

若保持散熱器肋片數(shù)目不變，當(dāng)增大散熱器肋片厚度時(shí)熱阻減小，但隨之肋片間距也會(huì)減小，而肋片間距的減小又使得散熱器壓降增大；

若保持肋片間距不變，則當(dāng)肋片厚度增大時(shí)熱阻隨之減小，但與此同時(shí)肋片數(shù)目隨之減少，而肋片數(shù)目的減小使得散熱器的總散熱面積減小帶來(lái)散熱器熱阻的增大；

若保持散熱器肋片厚度不變條件下，增多肋片數(shù)目可減小散熱器熱阻和壓降，但肋片數(shù)目增多的同時(shí)使得肋片間距減小，又導(dǎo)致散熱器壓降增大，降低散熱器的散熱能力。所以散熱器的肋片間距、肋片厚度、肋片數(shù)目對(duì)散熱器熱阻和壓降的影響是相互制約和影響的[2]。

優(yōu)化過(guò)程以散熱器的加工和安裝尺寸為約束條件，即保持散熱器體積不變條件下以散熱器的結(jié)構(gòu)參數(shù)和冷卻條件等為設(shè)計(jì)變量，應(yīng)用Matlab對(duì)散熱器的熱阻和壓降進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

三、強(qiáng)迫風(fēng)冷散熱系統(tǒng)的熱-結(jié)構(gòu)優(yōu)化

在強(qiáng)迫風(fēng)冷散熱器的熵產(chǎn)最小化熱結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)中，一般取設(shè)計(jì)者可控制的參數(shù)作為設(shè)計(jì)變量，如散熱器的肋片高度、肋片長(zhǎng)度、肋片厚度、肋片數(shù)目等，優(yōu)化設(shè)計(jì)的目標(biāo)函數(shù)為散熱器的熱阻和壓降，屬于有約束多變量多目標(biāo)的優(yōu)化設(shè)計(jì)問(wèn)題，而遺傳算法是適用于多變量?jī)?yōu)化問(wèn)題的有力方法和途徑，因此本文擬采用遺傳算法對(duì)組合型散熱器進(jìn)行熱結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)。遺傳算法將優(yōu)化的目標(biāo)函數(shù)解釋為生物種群對(duì)環(huán)境的適應(yīng)性，將優(yōu)化的變量看作生物種群的個(gè)體，由當(dāng)前種群出發(fā)，利用合適的復(fù)制、雜交、變異與選擇操作生成新一代的種群，重復(fù)直到求得合乎要求的種群停止。因此遺傳算法采用的是生物進(jìn)化和遺傳的思想，其優(yōu)越性主要是在搜索過(guò)程中不易陷入局部最優(yōu)，且在適應(yīng)值函數(shù)不連續(xù)、非規(guī)則條件下也能以很大的概率找到整體最優(yōu)解。

遺傳算法與傳統(tǒng)優(yōu)化算法的不同主要表現(xiàn)在：

（1）遺傳算法不直接作用在參變量集上，而是利用參變量集的某種編碼；

（2）遺傳算法不是從單個(gè)點(diǎn)，而是從一個(gè)點(diǎn)的群體開(kāi)始搜索；

（3）遺傳算法利用適應(yīng)值信息，不需要導(dǎo)數(shù)或其他輔助信息；

（4）遺傳算法利用概率轉(zhuǎn)移規(guī)則，而不是確定性規(guī)則。

四、強(qiáng)迫風(fēng)冷散熱器的遺傳算法優(yōu)化

對(duì)于通過(guò)散熱器散熱的電力電子器件，器件內(nèi)生成的熱量主要通過(guò)與之接觸的散熱器以對(duì)流和傳導(dǎo)兩種方式散發(fā)至周圍環(huán)境，直接表征散熱器散熱性能的參數(shù)是散熱器與環(huán)境之間的總熱阻，熱阻越小，散熱器表面的溫度越低，散熱系統(tǒng)的散熱性能越好。

雖然散熱器表面溫度得到顯著降低，但同時(shí)散熱系統(tǒng)的壓降過(guò)大，在實(shí)際應(yīng)用中可選擇的風(fēng)扇風(fēng)壓無(wú)法滿足過(guò)大壓降的要求。因?yàn)樯嵯到y(tǒng)壓降增大要求所選風(fēng)扇的壓力也隨之越大，而風(fēng)扇風(fēng)壓受風(fēng)扇尺寸和實(shí)際加工工藝條件的限制，另由于風(fēng)扇的噪音也隨其壓力的增大而增大。因此需要綜合權(quán)衡散熱器的熱阻、壓降對(duì)散熱系統(tǒng)散熱性能的不同影響程度，將散熱器到環(huán)境的總熱阻和散熱系統(tǒng)的壓降兩個(gè)參數(shù)同時(shí)作為目標(biāo)函數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

散熱器的熱阻和壓降分別表征的是散熱器的傳熱特性和流體的流動(dòng)特性，在對(duì)散熱器進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)同時(shí)綜合考慮兩方面的特性，采用基于熱力學(xué)第二定律的熵產(chǎn)最小化原理分析散熱器的綜合特性，熵產(chǎn)最小化使得整個(gè)系統(tǒng)的不可逆損失整體達(dá)到最小[3]。在電子設(shè)備機(jī)殼或其安裝機(jī)柜開(kāi)孔形狀中，相同面積內(nèi)不同形狀的開(kāi)孔由于開(kāi)孔率不同使得其對(duì)散熱結(jié)果的影響也不同，在滿足安裝機(jī)柜承重要求的前提下一般圓形開(kāi)孔的開(kāi)孔率大于其他形狀開(kāi)孔，由于本文電子負(fù)載故障保護(hù)設(shè)備散熱器水平放置，且散熱器的冷卻通道直接面對(duì)開(kāi)孔端面，因此本文提出安裝機(jī)柜前后門上應(yīng)用與散熱器冷卻風(fēng)道形狀一致的腰形孔開(kāi)孔方法，機(jī)柜前后門進(jìn)風(fēng)口的開(kāi)孔設(shè)計(jì)。

五、結(jié)語(yǔ)

綜上所述，合理設(shè)計(jì)散熱風(fēng)道是在不增加散熱器體積和重量條件下有效提高散熱系統(tǒng)散熱性能的另一個(gè)優(yōu)化方法，通過(guò)優(yōu)化電子設(shè)備及其安裝機(jī)柜的機(jī)械結(jié)構(gòu)提高進(jìn)入散熱系統(tǒng)冷卻風(fēng)道內(nèi)的風(fēng)量，進(jìn)而提高散熱系統(tǒng)的散熱性能，實(shí)現(xiàn)電子設(shè)備的熱-機(jī)械優(yōu)化設(shè)計(jì)。

【參考文獻(xiàn)】

[1]仇善良，段澤民，司曉亮，李志寶，張松，王瀚林.直升機(jī)電子設(shè)備艙瞬態(tài)雷電感應(yīng)磁場(chǎng)特性[J].高電壓技術(shù)，2017，43（05）：1409-1419.

[2]楊文芳，魏強(qiáng)，朱蘭琴.基于有限元分析的機(jī)載電子設(shè)備減振設(shè)計(jì)[J].振動(dòng)與沖擊，2016，29（05）：230-234+253.

[3]陳立恒，吳清文，羅志濤，董吉洪，江帆.空間相機(jī)電子設(shè)備熱控系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].光學(xué)精密工程，2015，17（09）：2145-2152.