王勐++高薇
摘 要 以覆盖整体上盖散热片的典型CPCI计算机主板为例,在自然通风散热方式的情况下,使用迭代法计算散热片的散热效果,并比对有限元分析法的结果。
【关键词】散热片 热设计 迭代法 热仿真
1 引言
CPCI主板如安裝在强迫风冷或自然通风散热的机箱内,一般选择整体上盖结构进行主板加固,安装模块时无需辅助零件、通用性较强,可用于标准6UCPCI商用、工控和其他特种计算机。本文基于牛顿冷却对流方程,使用迭代法计算整体上盖散热片的散热效果,并在最后给出有限元分析法的结果作为对比。
2 结构形式
散热片的具体结构为设计一块整体上盖覆盖在主板上,并通过两侧和中心的螺钉固定牢固,以增加主板整体刚度。主板上主要发热元件(CPU、网络控制器)通过局部散热片(上盖的一部分)散热,其他发热元件直接通过自然通风散热。主板前面板高度为6HP。模块整体结构尺寸为233.35×175.84×30mm(不含助拔器),如图1所示。
整体上盖的中部为局部散热片,散热片下部设有对应主要发热器件(CPU、网络控制器)的局部导热块,使发热器件上的热量经过散热片的散发到空气中。整体上盖其他部分为镂空的框架结构,以方便空气的流通,其外形尺寸为227×149×22mm,具体结构如图2所示。
3 热功耗统计
CPCI主板上的主要发热元件的热功耗如表1所示(均选取合理的假定值),合计主板总热功耗为5.53W。
4 散热计算
5 有限元分析结果
使用ANSYS中的Icepak模块对CPCI主板散热片进行热仿真。建立热力学模型并且划分网格,环境空气温度设为65℃(模拟机箱内环境),压力为一个标准大气压,热模型流态为湍流。经Icepak计算求解,得出具体结果如图4、5所示。
经Icepak仿真计算,CPCI主板主要器件仿真温度如下:CPU的工作温度TCPU=69.83℃,网络控制器的工作温度Tw=69.43℃,与上节公式计算结果相近。
6 总结
由于公式计算简化了其他发热元件(内存、硬盘等)、整体上盖其他部分(除散热片外)、PCB印制板等散热因素,所以计算结果与热仿真结果有一定误差。随着计算机仿真技术的发展,越来越多设计人员直接使用有限元分析进行电子产品的热设计,但传统工程公式的计算方法作为热设计的基础,对有限元分析中边界条件设置、参数选择、热模型简化和原理性知识的学习等仍然具有重要意义。
参考文献
[1]D.S.斯坦伯格.电子设备冷却技术[M].北京:航空工业出版社,1989(10).
[2]王永康.ANSYS Icepak电子散热基础教程[M].北京:国防工业出版社,2015(01).
作者简介
王勐(1975-),男,北京市人。现为中国电子科技集团公司第十五研究所工程师。主要研究方向为计算机技术应用及环境适应性设计。
高薇(1983-),女,北京市人。现为中国电子科技集团公司第十五研究所工程师。主要研究方向为计算机技术应用及环境适应性设计。
作者单位
中国电子科技集团公司第十五研究所 北京市 100083