CN101113962A - 模拟散热器的散热温度的方法 - Google Patents

Abstract

本发明是一种模拟散热器的散热温度的方法，将一散热器分别依照其形状及结构设有至少一个子热阻值，再将这些子热阻值相加以作为一总热阻值，再由该总热阻值与一热源部所发出的一最大热量相乘后取得一热源部温度，且将该热源部温度与该散热器周围气体进入该散热器中所预设的一进口温度相加以取得该散热器的一模拟散热温度。依照本发明进行模拟所取得的模拟散热温度与实际量测到的真实散热温度比较，二者仅相差5℃，因此，本发明相当适合设计人员在初期设计时评估其所设计出来的散热器是否符合散热需求。

Description

模拟散热器的散热温度的方法

【技术领域】

本发明有关于模拟散热器的散热温度的方法，尤指一种一散热器的一模拟散热温度由该散热器周围气体进入该散热器中所预设的一进口温度与一热源部温度相加以取得者。

【背景技术】

现今电子元件的体积越来越小，且各电子元件间的信号传输速率越来越快，若电子元件长时间工作后，该电子元件的工作温度将会逐渐升高，而若该电子元件的工作温度太高，造成使用该电子元件的一电子设备发生故障。换言之，如何有效地使该电子元件保持一定的温度以下，令该电子元件能正常的工作，此外，亦能增加电子元件的使用寿命。一般来说，目前的电子设备制造商，通常是将一散热器安装在该电子元件上，该电子元件所产生的热量将会被传送到该散热器，以借该散热器将该热量快速地逸散到外界，以期该电子元件保持一定的温度以下。

再者，该散热器散热设计好像有很多的经验可供参考，依照经验来做便不会有问题，因此为了开发成本，通常会省略散热设计的部分，直接由机构人员依照经验来做即可。其实这种现象在许多中小企业很多，但是往往结果便是所开发出来的机型，无法通过耐久验证与可靠度验证，当你发现验证后有问题，要再修改雏形机时，其所花费的代价是很高的，加上推出产品时间延迟，错失销售时机，损失不赀。有时产品一时侥幸过关，但是销售到用户手上时，因为质量不良导致公司信誉破坏，也要付出相当大的代价。因此，在产品开发的过程中，加上散热设计是有必要性的。

一般而言，当设计人员初步设计好一散热器的形状、结构后，需先进行热流分析，以判断否可令安装该散热器的电子元件符合散热需求，而可保持一定的温度以下，令该电子元件能正常的工作，若该散热器无法符合该电子元件的散热需求，此时，设计人员就必须要评估其它可能的形状、结构对该散热器进行修改，之后，再进行热流分析，直到满足该电子元件的散热需求为止。

传统上，业界最常用的是热流实验方法，直接以该散热器的样品进行热流实验的验证，以确保该散热器的形状、结构可以满足该电子元件的散热需求，但制作样品及试验是非常耗时且昂贵，尤其是，当该电子元件的种类较多时，相对地就需要针对各该种类分别进行样品的制作及试验，如此，将会浪费大量的金钱及时间。

基于上述原因，近年来，当设计人员设计完成该散热器的形状、结构后，先利用热流模拟分析软件(Computational fluid dynamics software，简称CFDsoftware)进行热流模拟分析，借以判断该散热器是否可令该电子元件符合散热需求。

然而，该热流模拟分析软件通常是利用有限差分法或有限元素法计算流体力学与热传学的矩阵方程式，此种计算方法在进行运算前将该散热器的结构划分成许多的小区块(或称网格)，而这些小区块数量越多，则该热流模拟分析软件所计算出来的模拟数值会越精准，相对地，当该热流模拟分析软件计算越多的小区块所需的计算时间也越长，这种分析方式，对于在该散热器设计的中后期，了解该散热器局部或细部区域的热流相当的有帮助，但在该散热器设计的初期，针对该该散热器的雏型进行设计，若仍以此种分析方法来逐步地设计及改良该散热器的形状及结构，将会太浪费时间。

【发明内容】

本发明的目的在于提供一种模拟散热器的散热温度的方法，该方法由一进口温度与一热源部温度相加以取得该散热器的一模拟散热温度，其中该进口温度为该散热器周围气体进入该散热器中的温度，且该热源部温度为该散热器的一总热阻值与一热源部所发出的一最大热量相乘后取得，而该总热阻值依照该散热器形状及结构设有至少一个子热阻值，再将这些子热阻值相加以产生该总热阻值。

依照本发明进行模拟所取得的模拟散热温度与实际量测到的真实散热温度比较，二者仅相差5℃，因此，本发明相当适合设计人员在初期设计时评估其所设计出来的散热器是否符合散热需求。

【附图说明】

图1为直鳍片散热器的外观示意图。

图2为直鳍片散热器、介质及热源部的示意图。

【具体实施方式】

请参阅图1及图2所示，一般散热器1的散热温度T_tot，是指该散热器1周围气体进入该散热器1中的进口温度(inlet temperature)T_hi，及该散热器1吸收其所接触的一热源部2(如：中央处理器)所产生的一热源部温度T_sou的总和，其中该热源部温度是由该热源部2所发出的一最大热量Q_MAX乘以该散热器1的总热阻TR_tot计算出来的，因此，该散热器1的散热温度可以下列的方程式表示：

T_tot＝T_hi+T_sou＝T_hi+TR_tot×Q_MAX…(1)

其中该总热阻TR_tot为设计人员初步设计该散热器1时可预先决定的，因此，若能将假设该气体温度在某一温度下，并适当地调整该散热器1的总热阻TR_tot，则可模拟该散热器1在各种不同总热阻TR_tot下所能达到的散热温度。

基于上述理由，本发明是一种模拟散热器的散热温度的方法，请参阅图1及图2所示，预设一散热器1周围气体进入该散热器1中的一进口温度T_hi及该散热器1吸收一热源部2所发出的最大热量Q_MAX，将该散热器1的总热阻TR_tot与该最大热量Q_MAX相乘后取得一热源部温度T_sou，以由该进口温度T_hi与该热源部温度T_sou取得该散热器1的散热温度T_tot，如此，即模拟出任一散热器1的散热温度。

由于，该总热阻TR_tot的大小与该散热器1的形状、结构、材料、密度及该散热器1与该热源部2间的介质3等散热因子有关，因此，在本发明中，利用至少一个散热因子取得至少一个子热阻值TR_sub1～TR_subN，再将这些子热阻值TR_sub1～TR_subN相加以取得该总热阻TR_tot，因此，该散热器1的散热温度可以下列的方程式表示：

T_tot＝T_hi+T_sou＝T_hi+TR_tot×Q_MAX＝T_hi+(TR_sub1+TR_sub2+…+TR_subN)×Q_MAX…(2)

在本发明的一实施例中，该散热器1为一直鳍片散热器，而该直鳍片散热器的总热阻TR_tot可依其形状及结构由一鳍片子热阻值TR_{sub_fin}、一底板子热阻值TR_{sub_b}、一底板热扩散子热阻值TR_{sub_hsp}及介质子热阻值TR_{sub_tim}，因此，该总热阻TR_tot可以下列的方程式表示：

TR_tot＝TR_{sub_fin}+TR_{sub_b}+TR_{sub_hsp}+TR_{sub_tim}…(3)

其中该鳍片子热阻值TR_{sub_fin}是指该散热器1的鳍片10表面及鳍片10间的表面的热阻、TR_{sub_b}是指该散热器1的底板12的热阻、TR_{sub_hsp}是指该散热器1的底板12的热扩散子热阻值及介质子热阻值TR_{sub_tim}是指该散热器1的底板12与热源部2间的介质3的热阻，该鳍片子热阻值TR_{sub_fin}以下列的方程式计算得出：

${\mathrm{TR}}_{\mathrm{sub}\_\mathrm{fin}}=\frac{1}{h\·(A_{\mathrm{base}}+N_{\mathrm{fin}}{\mathrm{\η}}_{\mathrm{fin}}{A}_{\mathrm{fin}})}\·\·\·\left(4\right)$

其中h是热传系数、A_base是各该鳍片10间的底板12表面积、N_fin是鳍片数量、η_fin是鳍片散热效率及A_fin是鳍片表面积，而A_base是鳍片10间的底板12表面积可以下列的方程式计算得出：

A_base＝(N_fin-1)·b·L…(5)

上式中b是指鳍片10间的表面宽度，L是指该散热器1的总长度，其中各这些鳍片10间的表面宽度b可以下列的方程式计算得出：

$b=\frac{W-N_{\mathrm{fin}}{t}_{\mathrm{fin}}}{N_{\mathrm{fin}}-1}\·\·\·\left(6\right)$

上式中W是指该散热器1的总宽度、t_fin是指各鳍片10宽度，再者，各该鳍片表面积A_fin可以下列的方程式计算得出：

A_fin＝2·H_f·L…(7)

其中H_f是指各鳍片高度，以设计人员决定好该散热器1的总长度L、总宽度W、各鳍片高度H_f、各鳍片宽度t_fin等变量后，利用上列各该方程式进行计算后，即可估算出该散热器1的鳍片子热阻值TR_{sub_fin}。

其中热传系数h可用 $h=\frac{\mathrm{Nu}\·k_a}{b}$ 得出，k_a是空气的热传导系数。Nu的计算式如下(参阅：Estimating Parallel Plate-Fin Heat-sink Thermal Resistance”by Robert E.Simons in the calculation corner of the web Electronics Cooling and Teertstra，P.，Yovanovich，M.M.，and Culham，J.R.，″Analytical Forced Convection Modeling ofPlate Fin Heat Sinks，“Proceedings of 15th IEEE Semi-Therm Symposium，pp.34-41，1999)

$\mathrm{Nu}={[\frac{1}{{\left[\frac{\mathrm{Re}\·\mathrm{Pr}}{2}\right]}^3}+\frac{1}{{\left[0.664\sqrt{\mathrm{Re}}{\mathrm{Pr}}^{0.33}\sqrt{1+\frac{3.65}{\sqrt{\mathrm{Re}}}}\right]}^3}]}^{-0.33}$

其中Re，Pr的定义如下

$\mathrm{Re}=\frac{{\mathrm{\ρ}}_a\·V\·b}{{\mathrm{\μ}}_a}\·\frac{b}{L}{\mathrm{\μ}}_a$ 是空气的黏滞系数，V是鳍片间的平均流速

$\mathrm{Pr}=\frac{{\mathrm{\μ}}_a\·C_p}{k_a}$ C_p是空气的定压比热

$V=\frac{G}{(N_{\mathrm{fin}}-1)\·b\·H_f}$ G是通过鳍片的流量

再者，该底板子热阻值TR_{sub_b}可以下列的方程式计算得出：

${\mathrm{TR}}_{\mathrm{sub}\_b}=\frac{(H-H_f)}{k_{\mathrm{fin}}\·W\·L}\·\·\·\left(8\right)$

其中H是指该散热器1的总高度，k_fin是指该散热器1的材料热传系数，以设计人员决定好该散热器1的总高度H、总宽度W、各鳍片高度H_f、该散热器1的总长度L等变量值后，利用上列各该方程式进行计算后，即可估算出该散热器1的底板子热阻值TR_{sub_b}。

又，该底板热扩散子热阻值TR_{sub_hsp}可以下列的方程式计算得出：

${\mathrm{TR}}_{\mathrm{sub}\_\mathrm{hsp}}=\frac{\sqrt{A_b}-\sqrt{A_s}}{k_h\·\sqrt{{\mathrm{\πA}}_b{A}_s}}\·\frac{{\mathrm{\λk}}_h{A}_b{R}_0+\tanh \left(\mathrm{\λt}\right)}{1+{\mathrm{\λk}}_b{A}_b{R}_0\tanh \left(\mathrm{\λt}\right)}\·\·\·\left(9\right)$

$\mathrm{\λ}=\frac{{\mathrm{\π}}^{3/2}}{\sqrt{A_b}}+\frac{l}{\sqrt{A_s}}\·\·\·\left(10\right)$

其中，A_b为该底板面积(该散热器1的总长度L×总宽度W)、A_s为该热源部面积、k_fin是指该底板12的热传系数、λ是指热扩散系数、t为该底板厚度(该散热器1的总高度H-鳍片高度H_f)，该方程式参考ElectronicsCooling网站所刊登的计算散热器1热扩散的数据(calculating spreading resistance in heat sink，网址                                                                         ：http://www.Electronics-cooling.com/Resources/EC_Articles/JAN98/article3.htm)。

另该介质子热阻值TR_{sub_tim}可以下列的方程式计算得出：

${\mathrm{TR}}_{\mathrm{sub}\_\mathrm{tim}}=\frac{H_{\mathrm{tim}}}{k_{\mathrm{tim}}\·W_{\mathrm{tim}}\·L_{\mathrm{tim}}}\·\·\·\left(11\right)$

其中，k_tim为该介质3的热传系数，W_tim为该介质3的宽度，L_tim为该介质3的长度.如此，当设计人员决定好散热器1的总高度H、鳍片高度H_f、散热器1总长度L、散热器1总宽度W、鳍片厚度t_fin等数值，即可由上述方程式模拟出任一散热器1的散热温度。

此外，该子热阻值TR_sub1～TR_subN的大小亦与该散热器1周遭的气体变化、该散热器1所安装的风扇特性曲线、转速、气体流经该散热器1的鳍片10间的压降，或气体流出该散热器1的鳍片10间的压降等流体修正因子有关，因此，在本发明的一实施例中，利用至少一个流体修正因子取得至少一个修正参数X₁～X_N，再将这些子热阻值TR_sub1～TR_subN分别参考这些修正参数X₁～X_N，用以取得各修正子热阻值TRX_sub1～TRX_subN，因此，该散热器1的散热温度可以下列的方程式表示：

T_tot＝T_hi+T_sou＝T_hi+TR_tot×Q_MAX＝T_hi+(TRX_sub1+TRX_sub2+…+TRX_subN)…(12)

由于，在这些子热阻值TR_sub1～TR_subN参考越多的修正参数X₁～X_N所取得的各修正子热阻值TRX_sub1～TRX_subN将会越精确，而空气通过这些鳍片10所造成的压降，可以下列的方程式计算得出：

$\mathrm{\ΔP}=K[\left(\frac{\mathrm{\ρ}}{2}\right)\·\left(\frac{G^2}{{A^2}_{\mathrm{gap}}}\right)]=\left(\frac{\mathrm{K\ρ}}{{{2A}^2}_{\mathrm{gap}}}\right)\·G^2\·\·\·\left(14\right)$

K＝10.3L

A_gap＝(N_fin-1)·H_f·b

又，空气通过这些鳍片10后于这些鳍片出口所造成的压降，可以下列的方程式计算得出：

$\mathrm{\ΔP}=K[\left(\frac{\mathrm{\ρ}}{2}\right)\·\left(\frac{G^2}{{A^2}_{\mathrm{gap}}}\right)]=\left(\frac{\mathrm{K\ρ}}{{{2A}^2}_{\mathrm{gap}}}\right)\·G^2\·\·\·\left(15\right)$

K＝1.0

A_gap＝(N_fin-1)·H_f·b

而风扇的特性曲线，可以下列的方程式计算得出：

ΔP＝-AG+B…(16)

风扇的特性曲线于空气密度产生变化时的修正，可以下列的方程式计算得出：

$\mathrm{\ΔP}=-A\left(\frac{\mathrm{\ρ}}{{\mathrm{\ρ}}_0}\right)G+B\left(\frac{\mathrm{\ρ}}{{\mathrm{\ρ}}_0}\right)=-19280\left(\frac{\mathrm{\ρ}}{{\mathrm{\ρ}}_0}\right)G+450\left(\frac{\mathrm{\ρ}}{{\mathrm{\ρ}}_0}\right)\·\·\·\left(17\right)$

风扇的特性曲线于风扇转速产生变化时的修正，可以下列的方程式计算得出：

$\mathrm{\ΔP}=-A\left(\frac{{\mathrm{\ω}}_2}{{\mathrm{\ω}}_1}\right)G+B{\left(\frac{{\mathrm{\ω}}_2}{{\mathrm{\ω}}_1}\right)}^2\·\·\·\left(18\right)$

空气密度与离海平面高度的关系，可以下列的方程式计算得出：(其中P为气压，H为高度，ρ_a为空气密度

T＝T₀-LH＝288.15-6.5H

$P=101325{(1-\frac{6.5H}{288.15})}^{\frac{9.80665\·28.9644}{6.5\·8.31432}}\·\·\·\left(19\right)$

${\mathrm{\ρ}}_a=\frac{\mathrm{PM}}{1000\mathrm{RT}}=\frac{P\·28.9644}{1000\·8.31432\·T}\·\·\·\left(20\right)$

此外，将一散热器1依照本发明进行模拟所取得的一模拟散热温度与实际量测到的真实散热温度比较，二者仅相差5℃，因此，本发明相当适合设计人员在初期设计时评估其所设计出来的散热器是否符合散热需求。

Claims (3)

1.一种模拟散热器的散热温度的方法，该方法包括下列步骤：

预设一散热器周围气体进入该散热器中的一进口温度及该散热器吸收一热源部所发出的最大热量；

将该散热器的总热阻与该最大热量相乘后取得一热源部温度；

再由该进口温度与该热源部温度取得该散热器的散热温度。

2.如权利要求1所述的模拟散热器的散热温度的方法，其特征在于：该总热阻TR_tot依该散热器的形状、结构、材料、密度及该散热器与该热源部间的介质等取得至少一个子热阻值，再将这些子热阻值相加以取得该总热阻。

3.如权利要求1所述的模拟散热器的散热温度的方法，其特征在于：该散热器的总热阻可依其形状及结构由一鳍片子热阻值、一底板子热阻值、一底板热扩散子热阻值及介质子热阻值所组成的，其中该底板子热阻值指该散热器的底板的热阻、该底板热扩散子热阻值指该散热器的底板的热扩散子热阻值、该介质子热阻值指该散热器的底板与热源部间的介质的热阻。

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