專利名稱：模擬散熱器的散熱溫度的方法
模擬散熱器的散熱溫度的方法
技朮領域
本發(fā)明有關于模擬散熱器的散熱溫度的方法，尤指一種一散熱器的一模擬 散熱溫度由該散熱器周圍氣體進入該散熱器中所預設的一進口溫度與一熱源部 溫度相加以取得者。背景技朮
現(xiàn)今電子元件的體積越來越小，且各電子元件間的信號傳輸速率越來越快， 若電子元件長時間工作后，該電子元件的工作溫度將會逐漸升高，而若該電子 元件的工作溫度太高，造成使用該電子元件的一電子設備發(fā)生故障。換言之， 如何有效地使該電子元件保持一定的溫度以下，令該電子元件能正常的工作， 此外，亦能增加電子元件的使用壽命。 一般來說，目前的電子設備制造商，通 常是將一散熱器安裝在該電子元件上，該電子元件所產(chǎn)生的熱量將會被傳送到 該散熱器，以借該散熱器將該熱量快速地逸散到外界，以期該電子元件保持- 定的溫度以下。
再者，該散熱器散熱設計好像有很多的經(jīng)驗可供參考，依照經(jīng)驗來做便不 會有問題，因此為了開發(fā)成本，通常會省略散熱設計的部分，直接由機構人員 依照經(jīng)驗來做即可。其實這種現(xiàn)象在許多中小企業(yè)很多，但是往往結果便是所 開發(fā)出來的機型，無法通過耐久驗證與可靠度驗證，當你發(fā)現(xiàn)驗證后有問題， 要再修改雛形機時，其所花費的代價是很高的，加上推出產(chǎn)品時間延遲，錯失 銷售時機，損失不貲。有時產(chǎn)品一時僥幸過關，但是銷售到用戶手上時，因為 質量不良導致公司信譽破壞，也要付出相當大的代價。因此，在產(chǎn)品開發(fā)的過 程中，加上散熱設計是有必要性的。
一般而言，當設計人員初步設計好一散熱器的形狀、結構后，需先進行熱 流分析，以判斷否可令安裝該散熱器的電子元件符合散熱需求，而可保持一定 的溫度以下，令該電子元件能正常的工作，若該散熱器無法符合該電子元件的 散熱需求，此時，設計人員就必須要評估其它可能的形狀、結構對該散熱器進 行修改，之后，再進行熱流分析，直到滿足該電子元件的散熱需求為止。
傳統(tǒng)上，業(yè)界最常用的是熱流實驗方法，直接以該散熱器的樣品進行熱流 實驗的驗證，以確保該散熱器的形狀、結構可以滿足該電子元件的散熱需求， 但制作樣品及試驗是非常耗時且昂貴，尤其是，當該電子元件的種類較多時， 相對地就需要針對各該種類分別進行樣品的制作及試驗，如此，將會浪費大量 的金錢及時間。
基于上述原因，近年來，當設計人員設計完成該散熱器的形狀、結構后， 先利用熱流模擬分析軟件(Computational fluid dynamics software,簡稱CFD
software)進行熱流模擬分析，借以判斷該散熱器是否可令該電子元件符合散熱需求。
然而，該熱流模擬分析軟件通常是利用有限差分法或有限元素法計算流體 力學與熱傳學的矩陣方程式，此種計算方法在進行運算前將該散熱器的結構劃
分成許多的小區(qū)塊(或稱網(wǎng)格)，而這些小區(qū)塊數(shù)量越多，則該熱流模擬分析軟件 所計算出來的模擬數(shù)值會越精準，相對地，當該熱流模擬分析軟件計算越多的 小區(qū)塊所需的計算時間也越長，這種分析方式，對于在該散熱器設計的中后期， 了解該散熱器局部或細部區(qū)域的熱流相當?shù)挠袔椭?，但在該散熱器設計的初期， 針對該該散熱器的雛型進行設計，若仍以此種分析方法來逐步地設計及改良該 散熱器的形狀及結構，將會太浪費時間。
發(fā)明內容
本發(fā)明的目的在于提供一種模擬散熱器的散熱溫度的方法，該方法由一進 口溫度與一熱源部溫度相加以取得該散熱器的一模擬散熱溫度，其中該進口溫 度為該散熱器周圍氣體進入該散熱器中的溫度，且該熱源部溫度為該散熱器的 一總熱阻值與一熱源部所發(fā)出的一最大熱量相乘后取得，而該總熱阻值依照該 散熱器形狀及結構設有至少一個子熱阻值，再將這些子熱阻值相加以產(chǎn)生該總 熱阻值。
依照本發(fā)明進行模擬所取得的模擬散熱溫度與實際量測到的真實散熱溫度 比較，二者僅相差5。C，因此，本發(fā)明相當適合設計人員在初期設計時評估其所 設計出來的散熱器是否符合散熱需求。
圖1為直鰭片散熱器的外觀示意圖。 圖2為直鰭片散熱器、介質及熱源部的示意圖。
具體實施方式
請參閱圖1及圖2所示， 一般散熱器1的散熱溫度Tt。t，是指該散熱器1周 圍氣體進入該散熱器1中的進口溫度(inlettemperature)Th,，及該散熱器1吸收其 所接觸的一熱源部2(如中央處理器)所產(chǎn)生的一熱源部溫度Ts。u的總和，其中
該熱源部溫度是由該熱源部2所發(fā)出的一最大熱量QMAx乘以該散熱器1的總熱
阻TRt。t計算出來的，因此，該散熱器1的散熱溫度可以下列的方程式表示
Tto產(chǎn)Thi+Tsou^ +TRtotX QMAX."(1) 其中該總熱阻TRt。t為設計人員初步設計該散熱器1時可預先決定的，因此， 若能將假設該氣體溫度在某一溫度下，并適當?shù)卣{整該散熱器1的總熱阻TRt。t， 則可模擬該散熱器1在各種不同總熱阻TRt。t下所能達到的散熱溫度。
基于上述理由，本發(fā)明是一種模擬散熱器的散熱溫度的方法，請參閱圖1 及圖2所示，預設一散熱器1周圍氣體進入該散熱器1中的一進口溫度Th,及該
散熱器1吸收一熱源部2所發(fā)出的最大熱量Qmax，將該散熱器1的總熱阻TRt。t 與該最大熱量Qmax相乘后取得一熱源部溫度Ts。u，以由該進口溫度Thi與該熱源 部溫度T,。u取得該散熱器1的散熱溫度Tt。t，如此，即模擬出任一散熱器1的散 熱溫度。
由于，該總熱阻TRt。t的大小與該散熱器l的形狀、結構、材料、密度及該 散熱器1與該熱源部2間的介質3等散熱因子有關，因此，在本發(fā)明中，利用 至少一個散熱因子取得至少一個子熱阻值TRsubl TRsubN，再將這些子熱阻值 TRsu『TRsubN相加以取得該總熱阻TRt。t，因此，該散熱器l的散熱溫度可以下 列的方程式表示
Tto產(chǎn)Thi+Ts加=Tw +TRtotXQMAX = Thi +(TRSUbi+TRSUb2+."+ TRSUbN) XQmax…(2)
在本發(fā)明的一實施例中，該散熱器1為一直鰭片散熱器，而該直鰭片散熱 器的總熱阻TRt。t可依其形狀及結構由一鰭片子熱阻值TRsub fin、 一底板子熱阻值 TRsub—b、 一底板熱擴散子熱阻值TR^^p及介質子熱阻值TRsub一t,m，因此，該總 熱阻TRt。t可以下列的方程式表示
TRt0t=TRsub—fin+TRsub—b+TRsub一hsp+TRsub一tim. 其中該鰭片子熱阻值TRsub fin是指該散熱器1的鰭片10表面及鰭片10間的 表面的熱阻、TRsub b是指該散熱器1的底板12的熱阻、TRsub hsp是指該散熱器1 的底板12的熱擴散子熱阻值及介質子熱阻值TRsub t皿是指該散熱器1的底板12 與熱源部2間的介質3的熱阻，該鰭片子熱阻值TRsub fin以下列的方程式計算得
出
<formula>formula see original document page 5</formula>4)
其中h是熱傳系數(shù)、Ab^是各該鰭片10間的底板12表面積、Nfm是鰭片數(shù)
量、Tlfm是鰭片散熱效率及A^是鰭片表面積，而A^e是鰭片10間的底板12表 面積可以下列的方程式計算得出
上式中b是指鰭片10間的表面寬度，L是指該散熱器1的總長度，其中各 這些鰭片10間的表面寬度b可以下列的方程式計算得出
上式中w是指該散熱器i的總寬^^Tt^是指各鰭片io寬度，再者，各該
鰭片表面積Afm可以下列的方程式計算得出
'(7)
其中Hf是指各鰭片高度，以設計人員決定好該散熱器1的總長度L、總寬
度W、各鰭片高度Hf、各鰭片寬度tfm等變量后，利用上列各該方程式進行計算
后，即可估算出該散熱器1的鰭片子熱阻值TRsub fin。
其中熱傳系數(shù)h可用/^
臉人
得出，ka是空氣的熱傳導系數(shù).NU的計算式
如下(參閱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旦，and Culham， J.R., "Analytical Forced Convection Modeling of Plate Fin Heat Sinks," Proceedings of 15th IEEE Semi-Therm Symposium, pp. 34-41， 1999)
<formula>formula see original document page 6</formula>
其中Re， Pr的定義如下
<formula>formula see original document page 6</formula>
"a是空氣的黏滯系數(shù)，V是鰭片間的平均流速
Cp是空氣的定壓比熱
G是通過鰭片的流〕
再者，該底板子熱阻值TRsub b可以下列的方程式計算得出:
<formula>formula see original document page 6</formula>
…(8)
其中H是指該散熱器1的總高度，kf,n是指該散熱器1的材料熱傳系數(shù)，以
設計人員決定好該散熱器1的總高度H、總寬度W、各鰭片高度Hf、該散熱器 1的總長度L等變量值后，利用上列各該方程式進行計算后，即可估算出該散熱 器1的底板子熱阻值TRsubb。
又，該底板熱擴散子熱阻值TRsub—hsp可以下列的方程式計算得出
<formula>formula see original document page 6</formula>
其中，Ab為該底板面積(該散熱器1的總長度LX總寬度W)、入為該熱源
部面積、kfm是指該底板12的熱傳系數(shù)、X是指熱擴散系數(shù)、t為該底板厚度(該
散熱器1的總高度H-鰭片高度H》，該方程式參考ElectronicsCooling網(wǎng)站所刊 登的計算散熱器1熱擴散的數(shù)據(jù)(calculating spreading resistance in heat sink ，網(wǎng) 址 http:〃www.Electronics-cooling.com/Resources/EC—Articles/JAN98/article3.htm)。
另該介質子熱阻值TRsub—tim可以下列的方程式計算得出
<formula>formula see original document page 7</formula>
其中，kto為該介質3的熱傳系數(shù)，Wto為該介質3的寬度，L細為該介質3 的長度.如此，當設計人員決定好散熱器l的總高度H、鰭片高度Hf、散熱器l
總長度L、散熱器1總寬度W、鰭片厚度tfm等數(shù)值，即可由上述方程式模擬出
任一散熱器l的散熱溫度。
此外，該子熱阻值TR^, TRsubN的大小亦與該散熱器1周遭的氣體變化、 該散熱器1所安裝的風扇特性曲線、轉速、氣體流經(jīng)該散熱器1的鰭片10間的 壓降，或氣體流出該散熱器1的鰭片10間的壓降等流體修正因子有關，因此， 在本發(fā)明的一實施例中，利用至少一個流體修正因子取得至少一個修正參數(shù)X廣 XN，再將這些子熱阻值TRsubl~ TRsubN分別參考這些修正參數(shù)X廣XN,用以取得
各修正子熱阻值TRXsub,-
程式表示
TRXsubN，因此，該散熱器l的散熱溫度可以下列的方
<formula>formula see original document page 7</formula>由于，在這些子熱阻值TRsubl~ TRsubN參考越多的修正參數(shù)X,~ XN所取得的 各修正子熱阻值TRXsub廣TRXsubN將會越精確，而空氣通過這些鰭片IO所造成 的壓降，可以下列的方程式計算得出
<formula>formula see original document page 7</formula>又，空氣通過這些鰭片IO后于這些鰭片出口所造成的壓降，可以下列的方
程式計算得出
<formula>formula see original document page 7</formula>
而風扇的特性曲線，可以下列的方程式計算得出-
出
風扇的特性曲線于空氣密度產(chǎn)生變化時的修正，可以下列的方程式計算得
…(17)
=—19280G + 450
出
風扇的特性曲線于風扇轉速產(chǎn)生變化時的修正，可以下列的方程式計算得
(18)
<y2G + 5<y2
U JU J
空氣密度與離海平面高度的關系，可以下列的方程式計算得出(其中P為 氣壓,H為高度，Pa為空氣密度
r = j;、-Z//= 288.15 — 6.5//
9.80665.28.9644
尸=101325
卜
6.5//
6.5.8.31432P。
288.15^
尸.28.9644
…(19) .(20)
1000i r 1000.8.31432-r
此外，將一散熱器l依照本發(fā)明進行模擬所取得的一模擬散熱溫度與實際量
測到的真實散熱溫度比較，二者僅相差5"C，因此，本發(fā)明相當適合設計人員在
初期設計時評估其所設計出來的散熱器是否符合散熱需求。
8
權利要求
1、一種模擬散熱器的散熱溫度的方法，該方法包括下列步驟預設一散熱器周圍氣體進入該散熱器中的一進口溫度及該散熱器吸收一熱源部所發(fā)出的最大熱量；將該散熱器的總熱阻與該最大熱量相乘后取得一熱源部溫度；再由該進口溫度與該熱源部溫度取得該散熱器的散熱溫度。
2、 如權利要求1所述的模擬散熱器的散熱溫度的方法，其特征在于該總 熱阻TRt。t依該散熱器的形狀、結構、材料、密度及該散熱器與該熱源部間的介 質等取得至少一個子熱阻值，再將這些子熱阻值相加以取得該總熱阻。
3、 如權利要求1所述的模擬散熱器的散熱溫度的方法，其特征在于該散熱器的總熱阻可依其形狀及結構由一鰭片子熱阻值、 一底板子熱阻值、 一底板 熱擴散子熱阻值及介質子熱阻值所組成的，其中該底板子熱阻值指該散熱器的 底板的熱阻、該底板熱擴散子熱阻值指該散熱器的底板的熱擴散子熱阻值、該 介質子熱阻值指該散熱器的底板與熱源部間的介質的熱阻。
全文摘要
本發(fā)明是一種模擬散熱器的散熱溫度的方法，將一散熱器分別依照其形狀及結構設有至少一個子熱阻值，再將這些子熱阻值相加以作為一總熱阻值，再由該總熱阻值與一熱源部所發(fā)出的一最大熱量相乘后取得一熱源部溫度，且將該熱源部溫度與該散熱器周圍氣體進入該散熱器中所預設的一進口溫度相加以取得該散熱器的一模擬散熱溫度。依照本發(fā)明進行模擬所取得的模擬散熱溫度與實際量測到的真實散熱溫度比較，二者僅相差5℃，因此，本發(fā)明相當適合設計人員在初期設計時評估其所設計出來的散熱器是否符合散熱需求。
文檔編號G01M99/00GK101113962SQ200610036760
公開日2008年1月30日 申請日期2006年7月28日 優(yōu)先權日2006年7月28日
發(fā)明者汪保華 申請人:佛山市順德區(qū)順達電腦廠有限公司;神達電腦股份有限公司