CN117172033B - 一种基于反距离加权均值预测热阻的翅片散热器优化方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于反距离加权均值预测热阻的翅片散热器优化方法，属于散热器技术领域，解决了现有技术中翅片散热器结构参数优化方法操作复杂、效率低下、用于优化的翅片散热器热阻预测精度低的问题。本发明方法的步骤为获取发热器总功耗仿真数据集合以及真实工况下发热器和翅片散热器的实际输入参数；根据实际输入参数和发热器总功耗仿真数据集合获得双侧反距离加权均值仿真参数；基于双侧反距离加权均值仿真参数获得真实工况下翅片散热器的总热阻；基于发热器的实际输入参数和翅片散热器的总热阻获得真实工况下实际输入参数中的发热器稳态结温；根据发热器稳态结温对实际翅片散热器的实际输入参数进行优化获得最终翅片散热器的结构参数。

Description

一种基于反距离加权均值预测热阻的翅片散热器优化方法

技术领域

本发明属于散热器技术领域，具体涉及一种基于反距离加权均值预测热阻的翅片散热器优化方法。

背景技术

随着电力电子元器件发热功率不断增大，匹配不同电力电子元器件功耗的热管理成为一个棘手的问题，通常的办法是使用散热效果更好的翅片散热器。但是如果使用的翅片散热器效能高于电力电子元器件需要的散热效能，也会造成资源的浪费。如何给电力电子元器件准确地匹配翅片散热器变得尤为重要。现已有大量关于散热器结构参数的优化方法，如：CN108052752B、CN101504689B和CN111611739B。

目前风冷翅片散热器的结构参数优化或者设计相关的现有文献中热阻计算有的主要是采用指定空气侧对流换热系数来计算，但没有考虑到对流换热系数很难给出合适值；有的主要是采用纯经验公式，但没有考虑到经验公式计算中有时存在较大误差。

本发明提供自然对流下基于部分风冷翅片散热器仿真热阻数据，通过反距离加权均值求风冷翅片散热器热阻的计算方法，以在不需要计算流体力学软件仿真的前提下根据有限的数据计算出风冷翅片散热器热阻，提高计算的效率和其热阻计算结果的精度，并根据获得的风冷翅片散热器热阻对翅片散热器的结构参数进行优化，最终获得符合选型要求的风冷翅片散热器。

发明内容

鉴于上述问题，本发明提供了一种基于反距离加权均值预测热阻的翅片散热器优化方法，解决了现有技术中翅片散热器结构参数优化方法操作复杂、效率低下、用于优化的翅片散热器热阻预测精度低的问题。

本发明提供了一种基于反距离加权均值预测热阻的翅片散热器优化方法，其特征在于，具体包括以下步骤：

步骤S1、获取发热器总功耗仿真数据集合，以及真实工况下发热器和翅片散热器的实际输入参数；

步骤S2、根据实际输入参数和发热器总功耗仿真数据集合获得双侧反距离加权均值仿真参数；

步骤S3、基于双侧反距离加权均值仿真参数获得真实工况下翅片散热器的总热阻；

步骤S4、基于真实工况下发热器的实际输入参数和翅片散热器的总热阻获得真实工况下实际输入参数中的发热器稳态结温；

步骤S5、根据获得的发热器稳态结温对实际翅片散热器的实际输入参数进行优化获得最终翅片散热器的结构参数。

可选地，步骤S5的具体步骤为：

步骤S51、根据当前工况下的电力电子元器件散热要求给定发热器判据结温；基于发热器判据结温判断步骤S4的获得的发热器稳态结温是否能满足当前工况下的电力电子元器件散热要求；如果发热器判据结温小于等于发热器稳态结温，满足散热要求，完成对应当前工况下电力电子元器件的翅片散热器选型要求，获得最终翅片散热器的结构参数；如果发热器判据结温大于发热器稳态结温，认为不满足散热要求，当前翅片散热器不能作为当前工况下电力电子元器件的翅片散热器选型要求，进入步骤S52；

步骤S52、根据实际工况调整翅片散热器的实际输入参数，并返回步骤S1，直至完成对应当前工况下电力电子元器件的翅片散热器选型要求，获得最终翅片散热器的结构参数。

可选地，步骤S2中的双侧反距离加权均值仿真参数包括双侧仿真发热器总功耗、发热器总功耗的双侧仿真数据集合、实际输入参数的双侧欧氏距离、实际输入参数的双侧权重、实际输入参数的翅片散热器总热阻、实际输入参数的双侧翅片散热器总热阻和发热器的双侧功耗权重。

可选地，步骤S1中的实际输入参数包括空间的环境温度和实际发热器总功耗P₁。

可选地，步骤4中发热器稳态结温的表达式为：

其中，表示真实工况下翅片散热器的总热阻。

可选地，步骤S1中获取发热器总功耗仿真数据集合的具体步骤为：

步骤1、确定发热器的计算参数和翅片散热器的优化参数，以及约束条件；

步骤2、基于发热器的计算参数和翅片散热器的优化参数，以及优化参数的约束条件获得正交实验组数据；

步骤3、基于正交实验组数据获取各实验组的翅片散热器总热阻计算参数；

步骤4、基于正交实验组数据、各实验组的翅片散热器总热阻计算参数对翅片散热器仿真获得结果参数；

步骤5、根据结果参数获得发热器总功耗仿真数据集合。

与现有技术相比，本发明至少具有现如下有益效果：本发明的方法能够根据风冷翅片散热器热阻预测值获得的稳态结温结果直接对自然对流下风冷翅片散热器结构参数优化，操作方便，简单且高效。另外，本发明的风冷翅片散热器热阻预测值能够在不需要进行计算流体力学软件仿真的前提下根据有限的仿真数据结果集和输入参数获得，且预测结果精度较高。

附图说明

附图仅用于示出具体实施例的目的，而并不认为是对本发明的限制。

图1为发热器和翅片散热器的主视图；

图2为本发明的翅片散热器优化方法的流程图。

附图标记：

1.发热器；2.翅片散热器。

具体实施方式

为了能够更清楚地理解本发明的上述目的、特征和优点，下面结合附图和具体实施方式对本发明进行进一步的详细描述。需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明的实施例及实施例中的特征可以相互组合。另外，本发明还可以采用其他不同于在此描述的其他方式来实施，因此，本发明的保护范围并不受下面公开的具体实施例的限制。

本发明的一个具体实施例，如图1-图2，公开了一种基于反距离加权均值预测热阻的翅片散热器优化方法，具体包括以下步骤：

步骤S1、获取发热器总功耗仿真数据集合，以及发热器和翅片散热器的实际输入参数，具体步骤为：

步骤1、确定发热器的计算参数和翅片散热器的优化参数，以及约束条件；

参见图1，发热器1的计算参数包括发热器总功耗P _total、发热器长度L ₁、发热器宽度W ₁和发热器高度H ₁；

翅片散热器2的优化参数包括翅片散热器长度L ₂、翅片散热器宽度W ₂、翅片散热器基座高度H _base、翅片散热器翅片高度H _fin、翅片散热器翅片厚度T ₁和散热器两翅片间间距D₁；翅片散热器为风冷翅片散热器。

确定发热器总功耗P _total、翅片散热器长度L ₂、翅片散热器宽度W ₂、翅片散热器基座高度H _base、翅片散热器翅片高度H _fin、翅片散热器翅片厚度T ₁和散热器两翅片间间距D ₁的约束条件如下：

其中，表示发热器总功耗下限值；/>表示发热器总功耗上限值；/>表示翅片散热器长度下限值；/>表示翅片散热器长度上限值；/>表示翅片散热器宽度下限值；/>表示翅片散热器宽度上限值；/>表示翅片散热器基座高度下限值；表示翅片散热器基座高度上限值；/>表示翅片散热器翅片高度下限值；/>表示翅片散热器翅片高度上限值；/>表示翅片散热器翅片厚度下限值；/>表示翅片散热器翅片厚度上限值；/>表示散热器两翅片间间距下限值；/>表示散热器两翅片间间距上限值。

步骤2、基于发热器的计算参数和翅片散热器的优化参数，以及优化参数的约束条件获得正交实验组数据；

步骤21、将翅片散热器长度、翅片散热器宽度/>分别与发热器长度/>、发热器宽度/>进行比例化处理，获得翅片散热器与发热器的长度比值和宽度比值，表达式为：

其中，表示翅片散热器长度与发热器长度的长度比值；/>表示翅片散热器宽度与发热器宽度的宽度比值。

步骤22、基于步骤1的约束条件、步骤21的翅片散热器与发热器的长度比值和宽度比值确定综合约束条件，表达式为：

。

步骤23、基于步骤22的综合约束方程，确定发热器和翅片散热器的参数分析点；

具体地，发热器总功耗P _total的分析点为：

其中，表示第n个发热器总功耗分析点。

翅片散热器长度和发热器长度的比值分析点为：

其中，表示第n个翅片散热器长度和发热器长度的比值分析点。

翅片散热器宽度和发热器宽度的比值分析点为:

其中，表示第n个翅片散热器宽度和发热器宽度的比值分析点。

翅片散热器基座高度的分析点为:

其中，表示第n个翅片散热器基座高度分析点。

翅片散热器翅片高度的分析点为:

其中，表示第n个翅片散热器翅片高度分析点。

翅片散热器翅片厚度的分析点为:/>

其中，表示第n个翅片散热器翅片厚度分析点。

散热器两翅片间间距的分析点为:

其中，表示第n个散热器两翅片间间距分析点。

步骤24、根据步骤22的综合约束条件和步骤4的参数分析点，以发热器总功耗P _total划分实验组，形成关于翅片散热器长度和发热器长度的比值、翅片散热器宽度和发热器宽度的比值、翅片散热器基座高度、翅片散热器翅片高度、翅片散热器翅片厚度和散热器两翅片间间距的六因素正交实验组数据。

步骤3、基于正交实验组数据获取各实验组的翅片散热器总热阻计算参数；

进一步地，翅片散热器总热阻计算参数包括翅片散热器的总高度和翅片数量。

步骤31、利用步骤24的六因素正交实验组数据获取各实验组的翅片散热器总高度，表达式为：

其中，表示第m组六因素正交实验组数据下获得的翅片散热器总高度；/>表示第m组六因素正交实验组数据下的翅片散热器基座高度；/>表示第m组六因素正交实验组数据下的翅片散热器翅片高度。

步骤32、利用步骤24的六因素正交实验组数据获取各实验组的翅片数量，表达式为：

其中，表示第m组六因素正交实验组数据下获得的翅片数量的分析点；/>表示第m组六因素正交实验组数据下的翅片散热器长度和发热器长度的比值；/>第m组六因素正交实验组数据下获得的散热器两翅片间间距；/>表示第m组六因素正交实验组数据下获得的翅片散热器翅片厚度。

步骤4、基于正交实验组数据、各实验组的翅片散热器总热阻计算参数对翅片散热器仿真获得结果参数；

步骤41、基于步骤24的六因素正交实验组数据、步骤3的翅片散热器总高度和翅片数量进行所有参数分析点的翅片散热器仿真，获得翅片散热器仿真结果数据；

可选地，仿真前确定流体力学仿真软件（如ANSYS Icepak仿真模型）的边界条件，包括发热器材料属性、翅片散热器材料属性、网格剖分参数、求解器参数、冷却空间总长度、冷却空间总宽度、冷却空间总高度、空气进口参数、空气流速和环境温度等。

步骤42、基于步骤41获得的翅片散热器仿真结果数据获取结果参数；

可选地，结果参数包括发热器与翅片散热器的接触面总面积S₁、发热器与翅片散热器的接触面法向总热通量Q₁、发热器与翅片散热器接触面的最终温度、翅片散热器翅片的最终温度/>、翅片散热器散热总面积S₂和翅片散热器的表面对流换热系数HTC；

可选地，发热器与翅片散热器接触面的最终温度和翅片散热器翅片的最终温度通过稳态仿真求解收敛获得。

可选地，表面对流换热系数HTC基于翅片散热器的所有接触环境翅片的面积权重获得。

步骤5、根据结果参数获得发热器总功耗仿真数据集合；

步骤51、根据步骤4的结果参数获取各六因素正交实验组的翅片散热器的热传导总热阻和对流换热总热阻，表达式为：

其中，表示第m组六因素正交实验组数据下翅片散热器热传导总热阻；/>表示第m组六因素正交实验组数据下发热器与翅片散热器接触面的最终温度；/>表示第m组六因素正交实验组数据下翅片散热器翅片的最终温度；/>表示第m组六因素正交实验组数据下发热器与翅片散热器的接触面法向总热通量；/>表示第m组六因素正交实验组数据下发热器与翅片散热器的接触面总面积；/>表示第m组六因素正交实验组数据下翅片散热器对流换热总热阻；/>表示第m组六因素正交实验组数据下翅片散热器的表面对流换热系数；/>表示第m组六因素正交实验组数据下翅片散热器散热总面积。

步骤52、根据所述步骤51的翅片散热器热传导总热阻和对流换热总热阻获取各六因素正交实验组对应的翅片散热器总热阻，表达式为：

其中，表示第m组六因素正交实验组数据下的翅片散热器总热阻。

步骤53、将所述步骤52的翅片散热器总热阻组成以发热器总功耗分组的发热器总功耗仿真数据集合，表达式为：

。

步骤6、获取真实工况下发热器和翅片散热器的实际输入参数；

具体地，实际输入参数包括实际发热器总功耗P₁、实际发热器件长度L₄、实际发热器件宽度W₄、实际翅片散热器长度L₅、实际翅片散热器宽度W₅、实际翅片散热器总高度H₃和实际翅片散热器翅片数量N₂。

进一步地、将实际翅片散热器长度L₅、实际翅片散热器宽度W₅分别与实际发热器长度L₄、实际发热器宽度W₄进行比例化处理，获得翅片散热器与发热器的实际长度比值和实际宽度比值，表达式为：

其中，表示翅片散热器长度与发热器长度的实际长度比值；/>表示翅片散热器宽度与发热器宽度的实际宽度比值。

步骤S2、根据步骤S1实际输入参数和发热器总功耗仿真数据集合获得双侧反距离加权均值仿真参数；

可选地，双侧反距离加权均值仿真参数包括双侧仿真发热器总功耗、发热器总功耗的双侧仿真数据集合、实际输入参数的双侧欧氏距离、实际输入参数的双侧权重、实际输入参数的翅片散热器总热阻、实际输入参数的双侧翅片散热器总热阻和发热器的双侧功耗权重。可以理解的是，双侧包括左侧和右侧。

步骤S21、根据步骤6的实际发热器总功耗P₁在步骤5的发热器总功耗仿真数据集合中获取与该实际发热器总功耗P₁最接近的左侧仿真发热器总功耗/>及左侧仿真发热器总功耗/>对应的左侧仿真数据集合、右侧仿真发热器总功耗/>及右侧仿真发热器总功耗/>对应的右侧仿真数据集合；

可选地，左侧仿真发热器总功耗和右侧仿真发热器总功耗/>满足以下条件：

。

步骤S22、根据步骤S21的左侧仿真数据集合获得各六因素正交实验组与所述步骤6的实际输入参数的左侧欧氏距离Dist_k，根据步骤S21的右侧仿真数据集合获得各六因素正交实验组与所述步骤6的实际输入参数的右侧欧氏距离Dist_j，表达式为：

其中，表示第m组六因素正交实验组数据下左侧欧氏距离；/>表示第m组六因素正交实验组数据下的右侧欧氏距离；/>表示S21的左侧仿真数据集合中第m组六因素正交实验组数据下的翅片散热器长度与发热器的实际长度比值；/>表示步骤S21的左侧仿真数据集合中第m组六因素正交实验组数据下的翅片散热器宽度与发热器宽度的实际宽度比值；/>表示S21的左侧仿真数据集合中第m组六因素正交实验组数据下的实际翅片散热器总高度；/>表示S21的左侧仿真数据集合中第m组六因素正交实验组数据下的实际翅片散热器翅片数量；/>表示步骤S21的右侧仿真数据集合中第m组六因素正交实验组数据下的翅片散热器长度与发热器长度的实际长度比值；/>表示S21的右侧仿真数据集合中第m组六因素正交实验组数据下的翅片散热器宽度与发热器宽度的实际宽度比值；/>表示S21的右侧仿真数据集合中第m组六因素正交实验组数据下的实际翅片散热器总高度；表示S21的右侧仿真数据集合中第m组六因素正交实验组数据下的实际翅片散热器翅片数量。

步骤S23、根据所述步骤S22中的左侧欧氏距离Dist_k和右侧欧氏距离Dist_j分别计算步骤S21的左侧仿真数据集合和右侧仿真数据集合中各六因素正交实验组对所述步骤6的实际输入参数的左侧权重和右侧权重/>，表达式为：

其中，表示所述步骤6的实际输入参数与S21的左侧仿真数据集合中第m组六因素正交实验组数据下的左侧权重；/>表示所述步骤6的实际输入参数与S21的右侧仿真数据集合中第m组六因素正交实验组数据下的右侧权重。

步骤S24、根据步骤S21中左侧仿真数据集合和步骤S23的左侧权重计算对应所述步骤6实际输入参数的左侧翅片散热器总热阻/>，根据步骤S21中右侧仿真数据集合和步骤S23的右侧权重/>计算对应所述步骤6实际输入参数的右侧翅片散热器总热阻/>，表达式为：

；

其中，表示步骤S21的左侧仿真数据集合中第m组六因素正交实验组数据下的左侧仿真发热器总功耗；/>表示步骤S21的右侧仿真数据集合中第m组六因素正交实验组数据下的右侧仿真发热器总功耗。

步骤S25、根据步骤S21的左侧仿真发热器总功耗与所述步骤6的发热器总功耗P₁计算左侧功耗权重/>，根据S21的右侧仿真发热器总功耗/>与所述步骤6的发热器总功耗P₁计算右侧功耗权重/>，表达式为：

。

步骤S3、基于双侧反距离加权均值仿真参数获得真实工况下翅片散热器的总热阻；

具体地、根据左侧翅片散热器总热阻、右侧翅片散热器总热阻/>、左侧功耗权重/>和左侧功耗权重/>计算基于所述步骤6的实际输入参数在自然对流条件下翅片散热器的总热阻/>：

步骤S4、基于真实工况下发热器的实际输入参数和翅片散热器的总热阻获得真实工况下实际输入参数中的发热器的稳态结温；

具体地，根据所述步骤6的实际发热器总功耗P₁和所述步骤S3的翅片散热器总热阻计算所述步骤6的实际输入参数中的发热器的稳态结温/>，表达式为：

其中，表示所述步骤1给定真实工况下实际输入参数中的发热器和其对应的翅片散热器所处空间的环境温度。

步骤S5、根据所述步骤S4获得的发热器稳态结温对步骤6的实际翅片散热器的实际输入参数进行优化获得最终翅片散热器的结构参数。

步骤S51、根据当前工况下的电力电子元器件散热要求给定发热器判据结温；基于发热器判据结温/>判断步骤6的翅片散热器的实际输入参数获得的发热器稳态结温/>是否能满足当前工况下的电力电子元器件散热要求；如果/>，满足散热要求，完成对应当前工况下电力电子元器件的翅片散热器选型要求，获得最终翅片散热器的结构参数；如果/>，认为不满足散热要求，当前翅片散热器不能作为当前工况下电力电子元器件的翅片散热器选型要求，进入步骤S52；

步骤S52、根据实际工况调整翅片散热器的实际输入参数，并返回步骤6，直至完成对应当前工况下电力电子元器件的翅片散热器选型要求，获得最终翅片散热器的结构参数。

参与优化的翅片散热器的优化参数包括所述步骤1中的翅片散热器长度L ₂、翅片散热器宽度W ₂、翅片散热器基座高度H _base、翅片散热器翅片高度H _fin、翅片散热器翅片厚度T ₁和/或散热器两翅片间间距D₁。

具体地，可以调整所述步骤6实际输入参数中的实际翅片散热器长度L₅或实际翅片散热器宽度W₅来增大翅片散热器接触面积、或者调整所述步骤6实际输入参数中的实际翅片散热器总高度H₃增大翅片与空气接触的面积、或者调整所述步骤6实际输入参数中的实际翅片散热器翅片数量N₂增大翅片与空气接触的面积。

为了验证本发明的方法的有效性，采用上述方法进行热阻实验测试：

所述步骤2中以发热器总功耗P_total分组的仿真数据集合的m取8，即每个发热器总功耗P_total下都有8组翅片散热器及其热阻数据，所述步骤6中给定的真实工况下输入参数为发热器总功耗P₁取410W、发热器长度L₄取108mm、发热器宽度W₄取45mm、翅片散热器长度L₅取166mm、翅片散热器宽度W₅取69mm、翅片散热器总高度H₃取80mm、翅片散热器翅片数量N₂取19个；流体力学仿真软件翅片散热器总热阻计算结果为0.7753℃/W，采用本方法计算出的翅片散热器总热阻计算结果为0.7964℃/W，两者相对误差为2.7%；流体力学仿真软件设置与计算耗时1小时，本方法设置与计算耗时3分钟，提速20倍。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种基于反距离加权均值预测热阻的翅片散热器优化方法，其特征在于，具体包括以下步骤：

步骤S1、获取发热器总功耗仿真数据集合，以及真实工况下发热器和翅片散热器的实际输入参数；

步骤S2、根据实际输入参数和发热器总功耗仿真数据集合获得双侧反距离加权均值仿真参数；

步骤S3、基于双侧反距离加权均值仿真参数获得真实工况下翅片散热器的总热阻；

步骤S4、基于真实工况下发热器的实际输入参数和翅片散热器的总热阻获得真实工况下实际输入参数中的发热器稳态结温；

步骤S5、根据获得的发热器稳态结温对实际翅片散热器的实际输入参数进行优化获得最终翅片散热器的结构参数；步骤S51、根据当前工况下的电力电子元器件散热要求给定发热器判据结温；基于发热器判据结温判断步骤S4的获得的发热器稳态结温是否能满足当前工况下的电力电子元器件散热要求；如果发热器判据结温小于等于发热器稳态结温，满足散热要求，完成对应当前工况下电力电子元器件的翅片散热器选型要求，获得最终翅片散热器的结构参数；如果发热器判据结温大于发热器稳态结温，认为不满足散热要求，当前翅片散热器不能作为当前工况下电力电子元器件的翅片散热器选型要求，进入步骤S52；

步骤S52、根据实际工况调整翅片散热器的实际输入参数，并返回步骤S1，直至完成对应当前工况下电力电子元器件的翅片散热器选型要求，获得最终翅片散热器的结构参数。

2.根据权利要求1所述的翅片散热器优化方法，其特征在于，步骤S2中的双侧反距离加权均值仿真参数包括双侧仿真发热器总功耗、发热器总功耗的双侧仿真数据集合、实际输入参数的双侧欧氏距离、实际输入参数的双侧权重、实际输入参数的翅片散热器总热阻、实际输入参数的双侧翅片散热器总热阻和发热器的双侧功耗权重。

3.根据权利要求2所述的翅片散热器优化方法，其特征在于，步骤S1中的实际输入参数包括空间的环境温度和实际发热器总功耗P₁。

4.根据权利要求3所述的翅片散热器优化方法，其特征在于，步骤4中发热器稳态结温的表达式为：

其中，表示真实工况下翅片散热器的总热阻。

5.根据权利要求1-4任一项所述的翅片散热器优化方法，其特征在于，步骤S1中获取发热器总功耗仿真数据集合的具体步骤为：

步骤1、确定发热器的计算参数和翅片散热器的优化参数，以及翅片散热器优化参数的约束条件；

步骤2、基于发热器的计算参数和翅片散热器的优化参数，以及优化参数的约束条件获得正交实验组数据；

步骤3、基于正交实验组数据获取各实验组的翅片散热器总热阻计算参数；

步骤4、基于正交实验组数据、各实验组的翅片散热器总热阻计算参数对翅片散热器仿真获得结果参数；

步骤5、根据结果参数获得发热器总功耗仿真数据集合。