车载主机箱CPU散热器结构设计及温度场分析

陶 美，龚俊杰

(1.扬州大学 机械工程学院，江苏 扬州 225003；2.中电科技扬州宝军电子有限公司，江苏 扬州 225003)

0 引言

车载主机箱CPU芯片的集成度、封装密度以及工作频率的不断提高，导致其功率不断增大，发热量大幅上升。CPU温度过高将会影响车载主机机箱的可靠性及稳定性，所以在CPU上加装散热器成为降低CPU温度的必要手段[1]。在散热器的研究方面，Shih C.J.等[2]采用了熵增最小化方法，这种方法的特点是计算最小熵增率，通过改变系统的一个或多个物理特性，能使设计在受有限尺寸和有限时间约束的条件下，更接近熵增最小化的工作条件。Khan W.A.等[3]通过最小化散热器的热阻对其进行优化设计，得到了较好的结构设计。张建臣[4]在介绍风冷散热器的基本组成要素和传热原理的基础上，对散热器的传热过程进行分析研究。王宏伟等[5]探讨了材料、加工工艺、扣具、导热介质等对散热性能的影响。本文对车载主机箱CPU散热器进行结构设计及温度场分析。

1 散热器结构设计

1.1 材料选择

散热器材料的选取主要考虑其导热性能好、易于加工、延展性好、易获取的特点。本文确定散热器所用材料为铝制平直肋片，采用散热器与风扇组合主动散热型式。

1.2 参数设计

在散热器肋片间距一定的条件下，散热总面积与肋片数及肋厚成正比；与之相反，风道截面积与肋片数及肋厚成反比。为了提高散热性能，在不改变散热空间、散热器材质及风扇送风量的前提下，对传统散热器进行结构参数设计。传统的散热器形状如图1所示。图1中，δ为肋厚，S为肋片间距，h为肋高，t为底板厚度。

图1 散热器结构示意图

经相关理论计算，散热器肋间距S在4.38 mm～5.18 mm之间，肋高h为15.3 mm；实践中散热器肋间距S取整为5 mm，肋高h取整为15 mm。依据以往设计经验，肋厚δ分别选取1.5 mm、1.8 mm、2.0 mm建立散热器模型。

2 散热器散热性能测试

2.1 实验测试方案

通过测量来流风速、翅片间的风速及CPU表面温度、翅片不同点的温度来分析散热器内流体流动与换热情况。在这种模拟情况下所研究的散热器性能仅与其自身的材料、结构、来流风速相关，由此便可准确地分析散热器的散热性能。

2.2 实验测试原理及装置

采用加热装置来模拟CPU芯片的发热过程。在实验测试过程中将模拟45 W、60 W、80 W的CPU发热量。为准确模拟CPU风扇对散热器的送风情况及CPU的发热情况，设计了如图2所示的实验测试装置。通过该装置测试在不同功率、不同风速条件下散热器的散热性能。

图2 实验测试装置示意图

2.3 实验性能分析

记录CPU散热器在不同加热功率和不同风速条件下的散热过程，主要有两个方面：①在相同风速、不同加热功率下，从通电瞬间至表面温度达到稳定状态，采集CPU表面温度变化数据曲线，分析加热功率对散热器散热性能的影响；②在相同加热功率、不同风速下，从通电瞬间至表面温度达到稳定状态，采集CPU表面温度变化数据曲线，分析风速对散热器散热性能的影响。表1为实验测试结果。

由表1可知：模拟芯片表面的平衡温度随气体的流速而变化，说明散热器的散热状况受气体流速的影响很大。在相同功率下，随着风速的增加，CPU表面温度上升得越缓慢，且达到平衡所需时间越短，CPU表面平衡温度越低。在低功率情况下，风速的提高对散热效果影响不是很大；在高功率情况下，风速的提高对散热效果影响更为明显，然而存在噪声较大，散热器的综合性能降低。由此得到风速为1.0 m/s时，散热器综合性能较好。

表1 实验测试结果

3 散热器热仿真分析

3.1 参数设置

散热器型式为平板直肋式，在其他结构参数一定的条件下，在Workbench中建立肋厚分别为1.5 mm、1.8 mm、2 mm的散热器结构模型并进行仿真分析。散热器的材料为铝，密度为2 700 kg/m3,热传导系数为156 W/(m2·℃)，空气对流系数为5.530 W/(m2·℃)，风冷对流系数为30 W/(m2·℃)。模型采用实体Solid185单元，节点数为167 628个，网格划分方法采用Sweep划分6面体，简化后的有限元网格模型如图3所示。

图3 散热器网格模型

3.2 结果分析

空气对流和风冷对流两种工况下散热器的热分析结果如表2所示。由表2可知：增加了风扇的风冷对流散热性能明显优于空气对流散热，在风冷对流工况下，肋厚为1.5 mm散热器的散热性能最佳。

表2 两种工况下散热器热分析结果

4 车载主机箱热仿真分析

车载主机箱中主要的热功耗器件是CPU和电源模块，其余器件发热量均较小，故对其作整板均温处理。仿真时不考虑辐射散热，忽略海拔高度的影响，对车载主机箱分别在常温及高温状况下进行热仿真分析。常温下，空气温度设定为+25 ℃；高温下，空气温度设定为+85 ℃。

图4为车载主机箱的简化三维模型，为便于计算，对热量传递影响不大的结构进行必要的简化。运用Flotherm软件进行仿真计算。

图4 车载主机箱简化模型

通过分析可以得到，车载主机箱水平放置符合气体流动要求。CPU散热器在常温+25 ℃与高温+85 ℃下的温度分别为54 ℃与103 ℃，满足常温+25 ℃下的CPU散热器工作温度低于70 ℃、高温+85 ℃下的CPU工作温度低于110 ℃的许可温度要求。