强迫风冷散热系统的热结构优化
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孙传杰 张孟伟 刘文哲
【摘 要】为使散热系统同时实现低热阻、小型化、轻量化的目标，有必要对散热系统进行热结构优化设计，散热系统的热-结构优化设计是以散热器的结构参数和散热风扇的特性参数为设计变量实现目标函数的最小化，强迫风冷散热系统热结构优化设计的目标函数分别为散热器到环境的热阻、散热系统的压降和散热器的重量。对散热器结构参数进行优化设计使散热器热阻最小化的同时散热器的压降和重量可能会随之增大，散热器冷却风道内的压降增大会影响散热器的换热系数，降低散热性能。
【关键词】电力电子器件；热结构优化；方法与策略
前言：
散热器冷却风道内压降的增大要求必须同时选用更大风压的散热风扇，风扇风压的提高会使其噪声增大，散热器重量的增大与轻量化的要求矛盾。因此应综合考虑电子设备结构、风扇风压、成本和散热效率等因素确定散热器的结构参数，电子设备在保证其电力电子器件在规定温度范围内安全可靠工作前提下应尽量减小散热系统的压力损失和重量。基于热力学第二定律的最小熵产原理可综合评价热阻和压降对散热性能的组合效应，该原理同时研究了由散热器热传导和压降引起的热动力学损失。
一、强迫风冷散热器热设计主要原则
散热器上下基板厚度、长度、宽度增大散热器的热阻都会减小，应尽量选用其上限值，但与此同时散热器的体积和重量也随之增大，因此为满足设备安装空间，不与其小型化要求相违背，也不可过大。散热器上下基板厚度设计的关键是散热器上基板能够符合安装电力电子器件的需求、下基板符合散热器在设备内部的安装需求即可。散热器长度、宽度的选择在满足其散热要求前提下同时都要综合考虑风扇选型和设备小型化、轻量化的要求，于是本文散热器的优化问题是在散热系统体积或质量一定的条件下尽量减小散热器热阻[1]。
散热器的热阻随散热器总高度和肋片厚度的增大呈现先减小后增大的相同趋势，因此一味增大散热器总高度和肋片厚度不仅使得散热器更大更重，且使散热系统的散热性能更差。
散热器宽度一定条件下肋片间距、通道数目和肋片厚度相互约束，相互影响，如肋片间距减小时肋片数目增多，散热面积增大，使得散热器热阻减小，而肋片数目增多却同时使得风扇风量流过的散热器端面面积减小，于是冷却空气流过散热器的压降就随之增大。压降增大使得风扇工作点的风量又会减小，散热性能降低，因此在散热系统设计时要依據散热器各个肋片参数对散热性能的不同影响程度和风扇选型确定最佳肋片间距、肋片数目和肋片厚度。
由强迫风冷散热中风速对散热器热阻的影响可知，当风速大于某一值后热阻的减小非常缓慢，且散热器压降随风速增大而显著增大，所以风速的持续增大对散热性能并无提高。而散热器导热系数的选择则主要考虑材料费用和加工费用允许的条件下，应尽量选择导热系数较高的材料。常见金属材料中，铝生产工艺简单、有良好的铸造加工性能和成本较低，一般是优先考虑的材料，但在散热要求特别高的场合选用铜，主要依据散热器的允许温升、重量和成本等指标要求而确定。
二、散热器的多目标热-结构优化
根据电子设备内功耗、温升、安装空间、散热器基板表面安装电力电子器件的要求等，首先可确定散热器的材料、长度、宽度、上下基板厚度和总风量需求，然后根据散热器其余结构参数和冷却条件对散热器热阻、压降影响关系的分析结果确定散热器的肋片厚度、肋片间距及肋片数目。在散热器宽度一定条件下，散热器肋片厚度、肋片间距及肋片数目之间的关系，分析各参数间的约束关系为：
若保持散热器肋片数目不变，当增大散热器肋片厚度时热阻减小，但随之肋片间距也会减小，而肋片间距的减小又使得散热器压降增大；
若保持肋片间距不变，则当肋片厚度增大时热阻随之减小，但与此同时肋片数目随之减少，而肋片数目的减小使得散热器的总散热面积减小带来散热器热阻的增大；
若保持散热器肋片厚度不变条件下，增多肋片数目可减小散热器热阻和压降，但肋片数目增多的同时使得肋片间距减小，又导致散热器压降增大，降低散热器的散热能力。所以散热器的肋片间距、肋片厚度、肋片数目对散热器热阻和压降的影响是相互制约和影响的[2]。
优化过程以散热器的加工和安装尺寸为约束条件，即保持散热器体积不变条件下以散热器的结构参数和冷却条件等为设计变量，应用Matlab对散热器的热阻和压降进行优化设计。
三、强迫风冷散热系统的热-结构优化
在强迫风冷散热器的熵产最小化热结构优化设计中，一般取设计者可控制的参数作为设计变量，如散热器的肋片高度、肋片长度、肋片厚度、肋片数目等，优化设计的目标函数为散热器的热阻和压降，属于有约束多变量多目标的优化设计问题，而遗传算法是适用于多变量优化问题的有力方法和途径，因此本文拟采用遗传算法对组合型散热器进行热结构优化设计。遗传算法将优化的目标函数解释为生物种群对环境的适应性，将优化的变量看作生物种群的个体，由当前种群出发，利用合适的复制、杂交、变异与选择操作生成新一代的种群，重复直到求得合乎要求的种群停止。因此遗传算法采用的是生物进化和遗传的思想，其优越性主要是在搜索过程中不易陷入局部最优，且在适应值函数不连续、非规则条件下也能以很大的概率找到整体最优解。
遗传算法与传统优化算法的不同主要表现在：
（1）遗传算法不直接作用在参变量集上，而是利用参变量集的某种编码；
（2）遗传算法不是从单个点，而是从一个点的群体开始搜索；
（3）遗传算法利用适应值信息，不需要导数或其他辅助信息；
（4）遗传算法利用概率转移规则，而不是确定性规则。
四、强迫风冷散热器的遗传算法优化
对于通过散热器散热的电力电子器件，器件内生成的热量主要通过与之接触的散热器以对流和传导两种方式散发至周围环境，直接表征散热器散热性能的参数是散热器与环境之间的总热阻，热阻越小，散热器表面的温度越低，散热系统的散热性能越好。
虽然散热器表面温度得到显著降低，但同时散热系统的压降过大，在实际应用中可选择的风扇风压无法满足过大压降的要求。因为散热系统压降增大要求所选风扇的压力也随之越大，而风扇风压受风扇尺寸和实际加工工艺条件的限制，另由于风扇的噪音也随其压力的增大而增大。因此需要综合权衡散热器的热阻、压降对散热系统散热性能的不同影响程度，将散热器到环境的总热阻和散热系统的压降两个参数同时作为目标函数进行优化设计。
散热器的热阻和压降分别表征的是散热器的传热特性和流体的流动特性，在对散热器进行优化设计时同时综合考虑两方面的特性，采用基于热力学第二定律的熵产最小化原理分析散热器的综合特性，熵产最小化使得整个系统的不可逆损失整体达到最小[3]。在电子设备机壳或其安装机柜开孔形状中，相同面积内不同形状的开孔由于开孔率不同使得其对散热结果的影响也不同，在满足安装机柜承重要求的前提下一般圆形开孔的开孔率大于其他形状开孔，由于本文电子负载故障保护设备散热器水平放置，且散热器的冷却通道直接面对开孔端面，因此本文提出安装机柜前后门上应用与散热器冷却风道形状一致的腰形孔开孔方法，机柜前后门进风口的开孔设计。
五、结语
综上所述，合理设计散热风道是在不增加散热器体积和重量条件下有效提高散热系统散热性能的另一个优化方法，通过优化电子设备及其安装机柜的机械结构提高进入散热系统冷却风道内的风量，进而提高散热系统的散热性能，实现电子设备的热-机械优化设计。
【参考文献】
[1]仇善良，段泽民，司晓亮，李志宝，张松，王瀚林.直升机电子设备舱瞬态雷电感应磁场特性[J].高电压技术，2017，43（05）：1409-1419.
[2]杨文芳，魏强，朱兰琴.基于有限元分析的机载电子设备减振设计[J].振动与冲击，2016，29（05）：230-234+253.
[3]陈立恒，吴清文，罗志涛，董吉洪，江帆.空间相机电子设备热控系统设计[J].光学精密工程，2015，17（09）：2145-2152.