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作者:黃喻鴻(2006-07-29);推薦:徐業良(2006-08-01)
附註:本文為九十五學年度元智大學機械工程研究所黃喻鴻碩士論文「運用於電源供應器中之多點熱源散熱片最佳化設計」第五章。

第五章 結論與未來展望

5.1 結論

本論文中討論發熱功率晶體、散熱鰭片,以及空氣間之熱傳導與熱對流熱阻,並建立散熱片上功率晶體溫度方程式。針對熱源位置影響之討論,文中引進了因熱源位置導致之擴散熱阻修正係數概念,並將之運用於多點熱源狀況下,藉由比較熱阻方程式與模擬分析結果之差異,提出晶體溫度修正係數,並建立多點熱源下之功率晶體溫度方程式。

在多點熱源功率晶體溫度方程式之基礎上,本論文中以設計者的角度,定義設計變數與設計參數,同時提出目標函數與限制條件,而完成多點熱源散熱片設計之最佳化設計數學模型。利用典型最佳化演算法,獲得一多點熱源散熱片設計之最佳解。

在此最佳化過程中,散熱片長度()、散熱片高度()及鰭片高度()之最佳解均產生於邊界上,最佳點產生在上界,最佳值各為l=50mm,he=35mm,w=19mm,因此,此三個限制條件為有效限制條件;而鰭片厚度()與鰭片間距()之最佳點則發生在tf=1mm,s=1.75mm時,功率晶體溫度為最低T=3mm, s=1.75mm, tf=1mm,時,晶體溫度的最低溫度

藉由對設計變數進行靈敏度分析與參數分析,本論文中整理歸納了散熱片設計之設計建議,以提供設計者更直接有效的設計建議:

(1)    在此最佳設計點,當絕緣片熱阻()增加至時,晶體溫度由上升至。因此在不考量成本狀況下,選擇熱阻越小之絕緣片,將獲得越佳之散熱效率。

(2)    若風扇設計公差為10%,而使得原設定之體積流率()3m/s改變至2.7m/s時,晶體溫度將由上升至。散熱片設計時尚需考慮足夠之設計裕度,避免風扇流量之誤差而影響到設計值。

(3)    散熱片高度、散熱片長度、與散熱鰭片高度三尺寸決定散熱面積,且與晶體溫度變化成單調遞減關係,於最佳化設計模型中,均為空間限制條件由上界所限制,又因為散熱鰭片高度相較於散熱片高度、散熱片長度兩變數,有較高之設計靈敏度。因此,在設計空間仍足夠或可被放寬之狀況下,建議優先增加散熱鰭片高度,反之若考慮設計公差時,散熱鰭片高度需具有較嚴之公差限制。

(4)    當散熱鰭片部位之空間尺寸被限制時,散熱鰭片厚度()與散熱鰭片間距(),以及鰭片數目()具有等式關係:。在值固定時,越小,將有越多的,使得散熱表面積增加,導致晶體溫度下降,亦即與晶體溫度為一單調遞增之關係,之最佳值將為給予之最小值。在值固定時,則值將由製程之深寬比,以及氣流流經鰭片通道時所產生之壓降所決定。現階段於鋁擠型之一般製程中,製程之最小極限為1mm,而深寬比之極限為12,當任一製程限制放寬時,均可使晶體溫度下降。

(5)    散熱片厚度()對晶體溫度,亦成單調遞減趨勢。在最佳設計點當散熱片厚度由3mm時增加至5mm時,晶體溫度由下降至,此時散熱片總體積由13800mm2增加至17300mm2,增加。因此設計者可就是否增加材料以取得較低晶體溫度,亦或是節省材料成本,獲得較高之晶體溫度作取捨。

(6)    在散熱片厚度大於5mm時,晶體溫度之變化已呈收斂趨勢,當散熱片厚度由5mm增加至8mm時,晶體溫度由下降至,只下降0.9度,此時散熱片總體積由17300mm2增加至22600mm2,卻增加了。由此可明顯發現增加散熱片厚度所造成之成本,已經不能與所降低之晶體溫度成比例,因此並不建議採用大於5mm之散熱片厚度設計,此亦與台達電子之設計設計準則吻合。

(7)    由單顆晶體位置修正曲線中可以發現,晶體所在位置與散熱片長度之比例(),在0.25時最佳。然而在多顆晶體狀況下,無法讓所有晶體均為於0.25位置,晶體間的間距,將對晶體溫度產生影響,由模擬分析結果中可以看出(圖2-11),在晶體間距與散熱片長度之比例()0.16時,可以獲得整體溫度最低的表現。

(8)    在晶體封裝面積大小上,以較大之熱源面積,所產生之擴散熱阻()較小(圖2-4),對散熱片效能的提升亦有幫助。

5.2 未來展望

本論文針對多點熱源散熱片之散熱效率最佳化進行設計分析,然現階段僅以雙熱源散熱片案例進行基本架構之建立,於後續研究上仍有許多值得繼續討論之空間:

(1)    於電源供應器領域外,仍有相當多之電子產品採用多點熱源散熱片之設計,來作為散熱之輔助工具,因此,以本論文之雙熱源散熱片設計案例為基礎,後續可繼續發展三熱源以上之多點熱源散熱片分析設計。

(2)    本論文中採用修正因子概念對單晶體位置所造成之溫度分佈,以及雙熱源間擺放位置所造成之相互溫度耦合效應,進行公式與模擬分析結果間之修正,以獲得近似於模擬分析結果之方程式,作為最佳化設計之基礎。當熱源擴增至三點以上時,熱源間之溫度耦合行為將更趨複雜,需有更多之研究與討論投入。

(3)    本論文中雙熱源間擺放位置之討論,僅就散熱效果進行分析,尚未考量電路佈局上之限制,於後續研究中,可納入電路佈局上之限制於最佳化數學模型中,而獲得一確實可行之晶體排放建議。

(4)    一般公司內透過長期之設計經驗累積,均建立了為數可觀之設計準則,供工程師作為設計規範。本論文中進行了設計變數之靈敏度分析,以及設計參數之參數分析,並由分析中獲致設計建議。於後續之研究討論中,建議可利用本論文所建立之基礎,對公司內部之設計準則進行分析模擬驗證,以增加設計準則之可靠性。