用迭代法計算CPCI主板散熱片的散熱效果

王勐++高薇

摘 要 以覆蓋整體上蓋散熱片的典型CPCI計算機主板為例，在自然通風散熱方式的情況下，使用迭代法計算散熱片的散熱效果，并比對有限元分析法的結果。

【關鍵詞】散熱片 熱設計 迭代法 熱仿真

1 引言

CPCI主板如安裝在強迫風冷或自然通風散熱的機箱內，一般選擇整體上蓋結構進行主板加固，安裝模塊時無需輔助零件、通用性較強，可用于標準6UCPCI商用、工控和其他特種計算機。本文基于牛頓冷卻對流方程，使用迭代法計算整體上蓋散熱片的散熱效果，并在最后給出有限元分析法的結果作為對比。

2 結構形式

散熱片的具體結構為設計一塊整體上蓋覆蓋在主板上，并通過兩側和中心的螺釘固定牢固，以增加主板整體剛度。主板上主要發熱元件（CPU、網絡控制器）通過局部散熱片（上蓋的一部分）散熱，其他發熱元件直接通過自然通風散熱。主板前面板高度為6HP。模塊整體結構尺寸為233.35×175.84×30mm（不含助拔器），如圖1所示。

整體上蓋的中部為局部散熱片，散熱片下部設有對應主要發熱器件（CPU、網絡控制器）的局部導熱塊，使發熱器件上的熱量經過散熱片的散發到空氣中。整體上蓋其他部分為鏤空的框架結構，以方便空氣的流通，其外形尺寸為227×149×22mm，具體結構如圖2所示。

3 熱功耗統計

CPCI主板上的主要發熱元件的熱功耗如表1所示（均選取合理的假定值），合計主板總熱功耗為5.53W。

4 散熱計算

5 有限元分析結果

使用ANSYS中的Icepak模塊對CPCI主板散熱片進行熱仿真。建立熱力學模型并且劃分網格，環境空氣溫度設為65℃（模擬機箱內環境），壓力為一個標準大氣壓，熱模型流態為湍流。經Icepak計算求解，得出具體結果如圖4、5所示。

經Icepak仿真計算，CPCI主板主要器件仿真溫度如下：CPU的工作溫度TCPU=69.83℃，網絡控制器的工作溫度Tw=69.43℃，與上節公式計算結果相近。

6 總結

由于公式計算簡化了其他發熱元件（內存、硬盤等）、整體上蓋其他部分（除散熱片外）、PCB印制板等散熱因素，所以計算結果與熱仿真結果有一定誤差。隨著計算機仿真技術的發展，越來越多設計人員直接使用有限元分析進行電子產品的熱設計，但傳統工程公式的計算方法作為熱設計的基礎，對有限元分析中邊界條件設置、參數選擇、熱模型簡化和原理性知識的學習等仍然具有重要意義。

參考文獻

[1]D.S.斯坦伯格.電子設備冷卻技術[M].北京：航空工業出版社，1989（10）.

[2]王永康.ANSYS Icepak電子散熱基礎教程[M].北京：國防工業出版社，2015（01）.

作者簡介

王勐（1975-），男，北京市人。現為中國電子科技集團公司第十五研究所工程師。主要研究方向為計算機技術應用及環境適應性設計。

高薇（1983-），女，北京市人。現為中國電子科技集團公司第十五研究所工程師。主要研究方向為計算機技術應用及環境適應性設計。

作者單位

中國電子科技集團公司第十五研究所 北京市 100083