基于Icepak 某微波源的散熱結(jié)構(gòu)優(yōu)化

王永剛 于春生

（南京康友醫(yī)療科技有限公司，江蘇 南京210032）

微波固態(tài)源簡(jiǎn)稱(chēng)微波源，是微波信號(hào)的發(fā)生裝置，目前在醫(yī)療領(lǐng)域廣泛應(yīng)用于腫瘤的微波消融治療[1-2]。我們?cè)陂_(kāi)發(fā)便攜類(lèi)微波治療設(shè)備的過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)市面上的微波源普遍因存在體積、重量大的弊端而無(wú)法直接使用，這給便攜類(lèi)微波治療設(shè)備的研制帶來(lái)很多局限。

本文通過(guò)建立基于ICEPAK 的有限元模型，采用單一變量法，依次改變散熱器肋板數(shù)量、厚度，基板厚度，散熱器長(zhǎng)度，得出對(duì)應(yīng)的LDMOS 管內(nèi)核溫度，然后繪制各變量與LDMOS 管內(nèi)核溫度的相關(guān)性曲線(xiàn)，據(jù)此對(duì)散熱結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化，力求通過(guò)縮減微波源體積、重量達(dá)到微波治療設(shè)備輕便設(shè)計(jì)的目的。

1 微波源結(jié)構(gòu)要求

某便攜微波治療設(shè)備設(shè)計(jì)要求總重不得超過(guò)8kg，體積不大于320 mm (L)*320 mm (W)*150mm(H)；現(xiàn)有的固態(tài)源總重2.6kg，體積為200 mm (L)*100 mm (W)*100mm(H)。微波源占設(shè)備總重的32.5%，同時(shí)由于需要安裝風(fēng)扇等散熱器件，長(zhǎng)度方向空間較為緊張。微波源結(jié)構(gòu)優(yōu)化要求為：不影響散熱器散熱性能的前提下，縮小其體積，重量減輕20%以上。

待優(yōu)化微波源（圖1）微波功率輸出范圍0-100W，主發(fā)熱器件為內(nèi)部的LDMOS 管，通過(guò)實(shí)驗(yàn)，其微波輸出效率約為35%，也就是說(shuō)該微波固態(tài)源輸入功率的2/3 轉(zhuǎn)換成了熱量，滿(mǎn)載熱功耗約為200W，該微波源LDMOS 管的最大允許工作溫度為90℃，其他元器件殼溫不高于60℃，其散熱器結(jié)構(gòu)參數(shù)見(jiàn)表1。

2 散熱器結(jié)構(gòu)分析

目前比較成熟的散熱方式有肋板被動(dòng)散熱、風(fēng)冷散熱、液冷散熱、熱管散熱等[3]，從結(jié)構(gòu)復(fù)雜程度、工藝易實(shí)現(xiàn)、價(jià)格低廉等角度考慮，本文沿用風(fēng)冷散熱方式。同時(shí)，待優(yōu)化固態(tài)源風(fēng)扇風(fēng)量固定（5CFM），其對(duì)散熱效果的影響本文不做討論。

圖1 某微波源結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

表1 某微波源散熱結(jié)構(gòu)參數(shù)

2.1 理論分析

采用散熱基板處于恒熱流的邊界條件并假設(shè)肋板僅存在高度方向的溫度梯度，且忽略熱對(duì)流及熱輻射的影響，系統(tǒng)溫度達(dá)到穩(wěn)態(tài)時(shí)可用下式表示[4]:

其中，m 與肋板材料、流體物性、橫截面尺寸有關(guān)，此處為常值[5]，對(duì)（1）求解得。

假設(shè)LDMOS 熱功耗為P，則將肋基處的熱流密度為：

其中：t 為散熱器溫度值，tf為環(huán)境溫度，λ 為散熱器材料導(dǎo)熱系數(shù)，A 為肋板橫截面積，h 為距離基板長(zhǎng)度。從式（4）可以看出，散熱器不同部位溫度從基板至頂端呈雙曲余弦函數(shù)規(guī)律變化。

2.2 建立仿真模型

ANSYS ICEPAK 軟件是Fluent 公司開(kāi)發(fā)的一款面向于專(zhuān)業(yè)電子熱分析領(lǐng)域的軟件，將有限元熱分析應(yīng)用于電子產(chǎn)品的在設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)階段可減少重復(fù)性驗(yàn)證工作、提高一次成功率及可靠性。仿真分析時(shí)，常通過(guò)簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)、刪除對(duì)產(chǎn)熱散熱影響不大的阻容器件等方式簡(jiǎn)化散熱模型，以節(jié)省計(jì)算時(shí)間[6]，微波固態(tài)源的主要發(fā)熱器件為內(nèi)部的LDMOS 管，簡(jiǎn)化模型并劃分網(wǎng)格。

2.3 仿真參數(shù)設(shè)置

采用單一變量法分析散熱器主要結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)對(duì)散熱效果的影響，仿真參數(shù)設(shè)置為：散熱器材質(zhì)為6061-T4 合金，導(dǎo)風(fēng)罩材質(zhì)為06Cr19Ni10，熱源熱功耗200W，風(fēng)扇風(fēng)量5CFM，周?chē)h(huán)境溫度20℃，不考慮輻射換熱、自熱對(duì)流的影響，同時(shí)將仿真計(jì)算的迭代步數(shù)設(shè)置為200 步，F(xiàn)low 的殘差值設(shè)置為0.001，Energy 的殘差值設(shè)置為1e-7。

2.4 仿真結(jié)果分析

ICEPAK 中有限元模塊計(jì)算收斂后，說(shuō)明整個(gè)產(chǎn)、散熱系統(tǒng)基本達(dá)到穩(wěn)態(tài)，通過(guò)后處理面板設(shè)置得微波固態(tài)源熱穩(wěn)態(tài)后的溫度場(chǎng)云圖如圖2 所示。

圖2 微波源溫度分布云圖

從圖2 的分析結(jié)果可以看出，整個(gè)溫度場(chǎng)分并不均勻，左邊溫度高于右邊，說(shuō)明熱源位置會(huì)對(duì)散熱效果產(chǎn)生影響，同時(shí)，LDMOS 管的核心最高溫度為78.94℃。

基于上述模型，依次改變肋板數(shù)量、厚度，散熱器基板厚度，散熱器長(zhǎng)度得出各變量與LDMOS 管內(nèi)核溫度相關(guān)性曲線(xiàn)如圖3 所示。通過(guò)相關(guān)性曲線(xiàn)可以看出，在一定范圍內(nèi)，基板厚度、肋板數(shù)量、散熱器長(zhǎng)度隨著數(shù)值的增加，LDMOS 管的降溫趨勢(shì)趨緩。這說(shuō)明，通過(guò)盲目增加基板厚度、散熱器數(shù)量、散熱器長(zhǎng)度的方式提高散熱效果的方式是不明智的。

3 散熱器結(jié)構(gòu)優(yōu)化

3.1 結(jié)構(gòu)優(yōu)化

基于圖3 所示的相關(guān)性曲線(xiàn)并考慮加工工藝，將原微波固態(tài)源散熱器的基板厚度由20mm 調(diào)整為23mm,肋板厚度由2mm調(diào)整為0.8mm, 肋板數(shù)量由22 個(gè)調(diào)整為60 個(gè)，散熱器長(zhǎng)度由200mm 調(diào)整為150mm，據(jù)此得優(yōu)化后的微波固態(tài)源結(jié)果如圖4（a）所示。

3.2 仿真驗(yàn)證

用相同的方法在ICEPAK 軟件中建立優(yōu)化后的微波固態(tài)源有限元分析模型。通過(guò)仿真結(jié)果圖4（b）可以看出，結(jié)構(gòu)優(yōu)化后，LDMOS 管的最高溫度由78.94℃降為72.83℃，降低7.7%，同時(shí)，重量由原先的2.6kg 將為1.8kg,減少31%，長(zhǎng)度由200mm 降為150mm，減少25%。

結(jié)束語(yǔ)

圖3 散熱器結(jié)構(gòu)與LDMOS 最高溫度的相關(guān)性分析

圖4 優(yōu)化后的微波源及溫度分布云圖

為滿(mǎn)足微波治療設(shè)備便攜的需求，對(duì)微波固態(tài)源的散熱結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)。首先，通過(guò)簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)建立基于ICEPAK 的有限元分析模型，然后通過(guò)單一變量法依次改變模型中散熱器的肋板數(shù)量、厚度，基板厚度，散熱器長(zhǎng)度等參數(shù)，得出散熱器主要結(jié)構(gòu)參數(shù)與LDMOS 最高溫度的相關(guān)性曲線(xiàn)，并基于此優(yōu)化原有散熱器結(jié)構(gòu)參數(shù)。最后將結(jié)構(gòu)優(yōu)化后的微波固態(tài)源散熱效果與優(yōu)化前做對(duì)比：優(yōu)化后散熱性能提升7.7%，重量減輕31%，長(zhǎng)度減少25%，完全滿(mǎn)足預(yù)定的結(jié)構(gòu)優(yōu)化要求。本文的優(yōu)化和仿真結(jié)果可為同類(lèi)散熱產(chǎn)品的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供方法和參考數(shù)據(jù)。