多点热源散热片之设计需求-元智大学最佳化设计试验室.DOCVIP

作者：黃喻鴻(2006-07-29)；推薦：徐業良(2006-08-01)。 附註：本文為九十五學年度元智大學機械工程研究所黃喻鴻碩士論文「運用於電源供應器中之多點熱源散熱片最佳化設計」第三章。 第三章 多點熱源散熱片之最佳化設計 在一般典型的散熱片最佳化設計中，通常都以單一熱源作為分析對象，目標函數的設定為熱阻的最小值或是散熱效率的最大值 [Karimpourian, 2005]。本研究中則以多點熱源的散熱問題作為分析及探討對象，採用最佳化數值分析軟體GAMS [Rosenthal, 1998]來求解本章的最佳化設計問題。GAMS是“General Algebraic Modeling System”（一般性代數模擬系統）的縮寫，最早是由美國的世界銀行的Meeraus和Brooked所發展。本研究中以混合整數非線性規劃法(MINLP, Mixed Integer Nonlinear Programming)來求解本研究所提出之最佳化數學模型，進而得到設計最佳解，並對此設計最佳解進行檢驗。 3.1 多點熱源散熱片之設計需求 電源供應器是利用風扇以強制對流方式散熱，流體流經散熱鰭片將功率晶體所產生的熱能帶走，進而達到散熱的效果。一般散熱片的設計首重散熱效率，在給定的空間限制下，散熱片能夠達到最佳的散熱效率才是好的設計。然而散熱片的面積越大其散熱效率越高，但材料的成本也相對增加，因此提高散熱片的效能，除了增加散熱片的熱傳效率外，另一方法即是降低散熱片的熱傳阻抗。 增加散熱片熱傳效率的方法有很多，包括增加風扇流量、降低功率晶體損耗功率、選用高熱導傳係數之散熱基材或是增加散熱片面積等，都是目前設計上常見的方法。以下對這些方法做簡述： 增加風扇流量 風扇的流量與風扇體積及轉速有關，過大的體積會影響零件空間，過高的轉速會產生噪音。風扇的選用，不僅要有足夠的風流量，也要考慮風扇噪音的表現，本研究中選用台達電子所生產的風扇，尺寸為，編號FFB0412SHN之風扇作分析，其風扇流量為22.8CFM。 降低功率晶體損耗 在目前電源供應器高瓦數及高效率的趨勢下，電源供應器的輸出瓦數愈大，功率晶體的電流也就愈高，其損耗功率也隨之增加；高效率之功率晶體雖然損耗功率較小，但成本也較昂貴，此方法雖然可以有效的降低散熱片的熱量，但在成本的壓力下，通常不會採用此方式來增加散熱片的熱傳效率。 選用高熱傳導係數之散熱基材 金屬的散熱能力與其熱傳導係數有關，目前市面上最適合用在散熱片之材料包含銅、銀、鋁…等，其導熱係數最佳為銀，銀來做散熱片太過於昂貴所以選擇材料上以銅鋁做為散熱片最佳材料 圖3-1. 功率晶體散熱片之接觸阻抗 而傳導介質本身之阻抗部分，在功率晶體散熱片的熱傳阻抗中，可分為材料阻抗及熱擴散阻抗，材料阻抗可用更佳之散熱材料來降低散熱片的熱傳阻抗，而熱擴散阻抗則可藉由調整功率晶體的面積或位置來降低散熱片的熱傳阻抗，本論文第二章中對此作了詳細之討論。 3.2 設計變數與設計參數之定義 本研究在限制散熱片設計空間狀況下，針對多點熱源之散熱效率進行最佳化設計，以期找出功率晶體熱源溫度()的最小值，並獲得散熱片的最佳尺寸，及晶體最佳之擺放位置。 設計者對於散熱鰭片之設計，主要在於散熱鰭片之幾何形狀，圖3-2(a)與(b)，包括長()、寬()、高()、鰭片厚度()、鰭片間距()等，此亦即為本研究最佳化設計之設計變數。以往之設計中，功率晶體本身擺放之位置均由電路設計所決定，本研究中嘗試由散熱角度來關切功率晶體擺放位置，因此功率晶體擺放位置()也設定為設計變數。 以下對設計變數之設定作說明，設計變數之變數值範圍，均以台達電子之設計規範為基礎。 散熱片長度()，變數值範圍：26~55mm。 散熱片高度()，變數值範圍：25~35mm。 散熱鰭片厚度()，變數值範圍：1~3mm。 散熱鰭片高度()，變數值範圍：5~19mm。 首顆晶體位置()，因功率晶體與散熱片組裝的限制，其值最小為7mm。 晶體間距()，因功率晶體組裝時的距離限制，其最小距離為12mm。 散熱鰭片間距()，變數值範圍：1~3mm，與鰭片厚度()及鰭片數量()之關係式可表示為。 散熱鰭片數目()，為中介變數，其值為正整數，為散熱鰭片厚度與間距之函數，可表示為，且最小值設定為2。 擴散熱阻()之修正因子()及熱源相互影響係數()為中介變數(intermediate variable)，與晶體位置(,)有關，其修正曲線方程式之圖形如本論文第二章中圖2-8、圖2-14及圖2-15所示。 擴散熱阻()，為中介變數，其值與散熱片面積()、熱源面積()及熱阻有關。 熱傳導係數()，為中介變數，為不同流速下之修正係數。 與分別為散熱片之對流熱阻及傳導熱阻，為中介變數。 為流道縮減係數，為)中之方程式，為中介變數。 摩擦