車用熱管散熱器的數(shù)值模擬與設(shè)計(jì)

朱曉瓊　胡念蘇　余　萬

(1. 上海威特力熱管散熱器有限公司， 上?！?01318; 2. 武漢大學(xué) 動(dòng)力與機(jī)械學(xué)院， 武漢　430072; 3. 三峽大學(xué) 機(jī)械與動(dòng)力學(xué)院， 湖北 宜昌　443002)

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車用熱管散熱器的數(shù)值模擬與設(shè)計(jì)

朱曉瓊1胡念蘇2余萬3

(1. 上海威特力熱管散熱器有限公司， 上海201318; 2. 武漢大學(xué) 動(dòng)力與機(jī)械學(xué)院， 武漢430072; 3. 三峽大學(xué) 機(jī)械與動(dòng)力學(xué)院， 湖北 宜昌443002)

摘要：隨著我國城市軌道交通的快速發(fā)展，解決機(jī)車電力電子設(shè)備的散熱問題顯得尤為迫切，熱管散熱器因其結(jié)構(gòu)緊湊、散熱能力大、散熱效率高等優(yōu)勢(shì)受到了越來越多的關(guān)注．本文針對(duì)某軌道交通車輛牽引控制系統(tǒng)的某單元的散熱問題進(jìn)行了研究，根據(jù)設(shè)計(jì)要求建立了熱管散熱器的數(shù)值模型，得到了其不同工況下的溫度場(chǎng)分布和風(fēng)道阻力特性，分析了翅片間距、熱管數(shù)、熱管長(zhǎng)度等對(duì)基板最大溫升和散熱器風(fēng)阻的影響，設(shè)計(jì)出了能夠保證功率元件安全可靠工作的熱管散熱器．經(jīng)測(cè)試其熱阻及風(fēng)阻特性與模擬結(jié)果的誤差均在5%以內(nèi)，滿足工程設(shè)計(jì)要求．

關(guān)鍵詞：熱管散熱器；熱阻；風(fēng)阻；溫升

隨著我國城市軌道交通的快速發(fā)展，解決機(jī)車電力電子設(shè)備的散熱問題顯得尤為迫切．軌道交通車輛牽引控制系統(tǒng)的散熱系統(tǒng)，主要是針對(duì)功率元件來設(shè)計(jì)，原因在于系統(tǒng)中發(fā)熱絕大部分來自于功率開關(guān)元件(如IGBT、整流橋等)的損耗功率．功率開關(guān)元件本身對(duì)溫度比較敏感，溫度的變化會(huì)影響元件的開通、關(guān)斷過程，影響元件的工作性能．當(dāng)溫度過度增高時(shí)，甚至?xí)?dǎo)致元件的永久性損壞，帶來極大的安全隱患，直接影響列車運(yùn)行的安全性和可靠性．隨著電子技術(shù)的發(fā)展，電子元器件不斷地向小型化、微小型化和集成化方向發(fā)展，同時(shí)設(shè)備的組裝密度也在不斷提高，導(dǎo)致單位面積的熱流密度迅速增加，如果不能采用合理的散熱技術(shù)，必將嚴(yán)重影響電子器件及系統(tǒng)的工作[1]．熱管作為一種新型的高效傳熱元件，由于其熱阻小、重量輕、導(dǎo)熱性能好等優(yōu)點(diǎn)已經(jīng)成為解決高熱流密度發(fā)熱元件冷卻問題的重要途徑[2-3]．

熱管散熱器的性能與很多參數(shù)相關(guān)，如冷卻條件、結(jié)構(gòu)尺寸等，如何選擇或設(shè)計(jì)合理的熱管散熱器是解決機(jī)車電力電子設(shè)備的散熱問題的關(guān)鍵．本文針對(duì)某軌道交通車輛牽引控制系統(tǒng)的某單元的散熱問題進(jìn)行了研究，采用CFD軟件Flotherm建立了熱管散熱器的CFD模型，得到了其不同工況下的溫度場(chǎng)分布和風(fēng)道阻力特性，分析了翅片間距、熱管數(shù)、熱管長(zhǎng)度等對(duì)基板最大溫升和散熱器風(fēng)阻的影響，并進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，最終設(shè)計(jì)出了能夠保證功率元件安全可靠工作的熱管散熱器．

1熱管散熱器的設(shè)計(jì)要求

軌道交通車輛牽引控制系統(tǒng)內(nèi)的散熱系統(tǒng)通常由多單元組成，以適應(yīng)功率元件的靈活排布、組裝及各單元不同的散熱需求．目前，在軌道交通車輛牽引控制系統(tǒng)的散熱系統(tǒng)中，一般有風(fēng)冷和水冷散熱兩種方式．有資料表明[4]，強(qiáng)制風(fēng)冷的散熱效果是自然冷卻的5～10倍，水冷的散熱效果是自然冷卻的120～150倍．雖然水冷具有極高的散熱效率，但通常由于輔助水循環(huán)系統(tǒng)的存在，導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本較高，因此風(fēng)冷的應(yīng)用更為廣泛．

軌道交通車輛在運(yùn)行過程中，功率器件的散熱器的外部冷卻條件一般按走行風(fēng)考慮．由于車輛速度較快，站點(diǎn)間距小，啟停頻繁，其牽引控制系統(tǒng)的散熱功率較大，散熱器常處于非穩(wěn)態(tài)散熱狀態(tài)，啟動(dòng)之初和停車制動(dòng)時(shí)車速較小，外部氣流掠過散熱器的風(fēng)速較小，但此時(shí)發(fā)熱量較大，在平穩(wěn)運(yùn)行時(shí)散熱功率較小，外部氣流掠過散熱器的風(fēng)速較大，因此，散熱器設(shè)計(jì)時(shí)既要考慮自然冷卻工況，又要考慮一定風(fēng)速條件下的強(qiáng)制風(fēng)冷工況．

圖1　元器件分布及散熱器示意圖

本文針對(duì)其中某豎直安裝使用的單元的散熱問題展開研究，該單元采用自然冷卻和強(qiáng)制風(fēng)冷結(jié)合的熱管散熱系統(tǒng)．該單元的元件排布和散熱部分受限體積如圖1所示，它由9個(gè)元器件組成，總功耗為Qh=4 070 W，元器件與散熱器分別裝在基板的兩側(cè)，最大外形尺寸為876 mm×501 mm×353 mm(長(zhǎng)×寬×高)．為保證元件的安全工作，在環(huán)境溫度Tair=40℃時(shí)，散熱器元件安裝面的溫度及散熱器的風(fēng)阻要求見表1．

表1　散熱器設(shè)計(jì)參數(shù)

2熱管散熱器CFD模型的建立

2.1熱管散熱器的設(shè)計(jì)原理

功率元件的工作效率無法達(dá)到100%，其工作中的能耗最終以熱耗形式體現(xiàn)出來，熱量自功率元件內(nèi)部通過三種方式(傳導(dǎo)、對(duì)流和輻射)傳至外界環(huán)境．如同電流流過電路受到電阻的阻礙一樣，熱流傳遞時(shí)也會(huì)受到阻礙，稱為熱阻．在分析熱傳遞過程時(shí)，常采用比擬電路分析中歐姆定律(R=U/I)的方法，以溫差Δt比擬歐姆定律中的電壓勢(shì)差Δu，以熱流量q比擬歐姆定律中的電流i，則有：熱阻Rth=Δt/q，單位為℃/W，Δt為通過所分析的熱傳遞環(huán)節(jié)的溫度差，單位為℃，q為通過的熱流量，單位為W．

若將功率元件的熱流路徑以封裝(殼體)外表面為界劃分為內(nèi)、外兩部分，對(duì)應(yīng)的熱阻分別為內(nèi)熱阻和外熱阻．當(dāng)元件封裝完成后，其內(nèi)熱阻就基本固定．散熱器熱設(shè)計(jì)的原理就是通過對(duì)散熱器結(jié)構(gòu)和冷卻方式等的合理設(shè)計(jì)，不斷調(diào)整熱流路徑的外熱阻，從而控制元件的溫升在允許范圍內(nèi)．必要時(shí)，還需考慮產(chǎn)品的工藝可行性和經(jīng)濟(jì)性．

2.2初始物理模型的建立

由設(shè)計(jì)參數(shù)可知，本課題需設(shè)計(jì)的熱管散熱器應(yīng)滿足如下要求：Tair=40℃時(shí)，熱管散熱器熱阻及風(fēng)阻要求：自然冷卻時(shí)熱阻Rth≤0.018 9 ℃/W(即最大溫升≤77℃)；風(fēng)速v=2 m/s時(shí)，熱阻Rth≤0.009 1 ℃/W(即最大溫升≤37℃)，風(fēng)阻≤15 Pa；風(fēng)速v=4 m/s時(shí)，熱阻Rth≤0.006 6 ℃/W(即最大溫升≤27℃)，風(fēng)阻≤54 Pa；熱管散熱器體積限制在876 mm×501 mm×353 mm以內(nèi)．

由傳熱方程式：

(1)

式中，q為熱流量(W)；Δt為傳熱溫差(℃)；K為傳熱系數(shù)(W/(m2·℃))．已知q和Δt，代入經(jīng)驗(yàn)傳熱系數(shù)K，先初步核算出所需散熱面積F，建立如圖2所示的物理模型．

圖2　熱管散熱器的物理模型

2.3熱阻網(wǎng)絡(luò)模型的建立

在強(qiáng)制風(fēng)冷時(shí)，輻射換熱量可忽略不計(jì)，則其熱阻網(wǎng)絡(luò)如圖3所示．

圖3　熱阻網(wǎng)絡(luò)模型

2.4強(qiáng)制風(fēng)冷散熱CFD模型的建立

圖2所示的模型是典型的熱管散熱器模型，在強(qiáng)制風(fēng)冷系統(tǒng)中整個(gè)散熱系統(tǒng)由風(fēng)機(jī)、風(fēng)道、熱管散熱器和熱源組成，其中的熱管散熱器由熱管、基板、翅片組成．散熱系統(tǒng)的建模過程簡(jiǎn)述如下：

1)熱管散熱器：依據(jù)熱管的物理幾何特征并結(jié)合對(duì)現(xiàn)有熱管產(chǎn)品的性能測(cè)試確定其傳熱系數(shù)，最終建立超導(dǎo)熱管的模型；依據(jù)物理幾何特征建立翅片和基板的模型；

2)風(fēng)機(jī)：根據(jù)給定的風(fēng)速條件，風(fēng)機(jī)采用定流量風(fēng)機(jī)模型；

3)風(fēng)道：根據(jù)系統(tǒng)實(shí)際通流邊界建立模型；并設(shè)為絕熱邊界條件，忽略其散熱量；

4)熱源：實(shí)際熱源為形狀復(fù)雜的功率元件IGBT或二極管，安裝時(shí)與基板有固定的接觸面積，建模時(shí)將其簡(jiǎn)化為分布在基板上的9個(gè)面積與之對(duì)應(yīng)的均勻發(fā)熱的面熱源，記為H1，H2，…，H9；并假定所有熱量均由散熱器帶走．

5)求解域的確定：本模型用于強(qiáng)制風(fēng)冷條件下的熱分析，熱量主要由主流方向上的冷卻風(fēng)帶走，由風(fēng)道壁面散失的熱量極小，以散熱器作為求解主體并將求解域擴(kuò)大到整個(gè)風(fēng)道時(shí)，求解域尺寸為：x=1 626 mm，y=363 mm，z=511 mm．

6)網(wǎng)格的劃分：基于有限體積法的思想，利用網(wǎng)格將求解域內(nèi)的體積分成若干微小的控制體，對(duì)各控制體建立控制方程并聯(lián)立求解得到溫度場(chǎng)和流場(chǎng)等．對(duì)整個(gè)求解域合理劃分網(wǎng)格，在邊界處、熱流或氣流變化劇烈處進(jìn)行局域化并加密網(wǎng)格．如翅片和基板區(qū)域，翅片選用1 mm厚的鋁片，厚度尺寸相對(duì)整個(gè)求解域較小，對(duì)翅片區(qū)進(jìn)行網(wǎng)格加密以使所有翅片上均能生成網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)．基板的模塊安裝面上的溫度分布是設(shè)計(jì)重點(diǎn)關(guān)注的區(qū)域，且基板上熱量集中，對(duì)基板區(qū)域加密網(wǎng)格可使溫度場(chǎng)求解更為準(zhǔn)確；

7)溫度監(jiān)控點(diǎn)設(shè)置：在基板上各熱源中心布置溫度監(jiān)控點(diǎn)，用以監(jiān)控溫度的變化；

8)其他設(shè)置：①環(huán)境溫度：設(shè)為40℃；②流體種類：設(shè)為海拔0 m，1個(gè)大氣壓下的空氣；③材料屬性及熱物性設(shè)置：如翅片材料設(shè)為Al1060，導(dǎo)熱系數(shù)λ=201 W/(m·K)，密度ρ=2.71×103kg/m3，比熱容c= 913 J/(kg·K)等；④求解器屬性：迭代次數(shù)設(shè)為500，收斂判斷精度設(shè)為0.5℃．

2.5自然冷卻散熱CFD模型的建立

自然冷卻散熱模型與強(qiáng)制風(fēng)冷模型相比，不同點(diǎn)主要體現(xiàn)在求解域設(shè)定和對(duì)輻射散熱的考慮．首先在重力方向上，需擴(kuò)大求解域求解．其次在自然冷卻時(shí)，散熱主要依靠自然對(duì)流和輻射，輻射的影響不可忽略，建模時(shí)需啟用輻射模式，并對(duì)各材料設(shè)置合適的輻射系數(shù)．

3熱管散熱器的數(shù)值模擬與實(shí)驗(yàn)

采用迭代算法對(duì)建立的熱管散熱器模型進(jìn)行了求解，得到了不同工況下散熱器的溫度場(chǎng)，如圖4所示為強(qiáng)制風(fēng)冷迎面風(fēng)速為2 m/s時(shí)的散熱器溫度場(chǎng)分布云圖．同時(shí)也對(duì)各個(gè)工況下各個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的溫升和流道的風(fēng)阻進(jìn)行了計(jì)算，得出了基板的最大溫升和風(fēng)阻在不同工況下的變化規(guī)律，從而可以找出熱管散熱器的主要結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)傳熱性能的影響．

圖4　強(qiáng)制風(fēng)冷迎面風(fēng)速為2 m/s時(shí)散熱器溫度場(chǎng)分布云圖

3.1翅片間距對(duì)傳熱性能的影響

圖5給出了翅片間距在7～11 mm時(shí)，在不同冷卻條件下基板的最高溫升．從圖中可以看出在自然冷卻條件下，隨著翅片間距的增大，最高溫升先下降后上升．這是因?yàn)槌崞g距過小時(shí)，不利于自然對(duì)流，雖然換熱面積充裕，但自然對(duì)流換熱系數(shù)較小，因此溫升較高；隨著翅片間距的增大，自然對(duì)流效果得到改善，溫升逐漸降低，當(dāng)降低到一定程度后，翅片間距對(duì)自然對(duì)流換熱系數(shù)的影響減弱，此時(shí)，由于翅片間距加大導(dǎo)致的面積減少起主導(dǎo)作用，面積減少導(dǎo)致溫升升高．

圖5　不同翅片間距下的最高溫升

在強(qiáng)制風(fēng)冷條件下，隨著翅片間距的增大，最高溫升先下降后上升．在翅片間距較小時(shí)，最高溫升的變化不明顯．這是因?yàn)樵摻Y(jié)構(gòu)下，強(qiáng)制對(duì)流時(shí)的面積相對(duì)已有富余，再減小翅片間距增加換熱面積對(duì)溫升的影響較小，此時(shí)改變風(fēng)速影響較大，如圖5可見，風(fēng)速4 m/s時(shí)相對(duì)2 m/s溫升有明顯降低．翅片間距增大后，面積減少的影響逐漸體現(xiàn)出來，使得溫升隨之升高．從圖中可以看出，無論是采用自然冷卻還是強(qiáng)制冷卻，翅片間距為9 mm時(shí)基板最高溫升均為最?。?/p>

圖6給出了翅片間距在7 mm至11 mm時(shí)，在不同冷卻條件下風(fēng)阻的變化．發(fā)現(xiàn)風(fēng)阻隨著翅片間距增大時(shí)在不斷降低．從圖5和圖6發(fā)現(xiàn)，滿足不同冷卻條件下基板的最高溫升設(shè)計(jì)要求的翅片間距為7 mm、8 mm、9 mm，但翅片間距為7 mm、8 mm時(shí)的風(fēng)阻超出了設(shè)計(jì)要求，因此可以認(rèn)為在本熱管散熱器的設(shè)計(jì)中，翅片間距采用9 mm比較合適．

圖6　不同翅片間距下的風(fēng)阻

3.2熱管數(shù)對(duì)傳熱性能的影響

圖7給出了在不同冷卻條件下基板的最高溫升隨著熱管數(shù)的變化情況．可以看出熱管數(shù)對(duì)最高溫升的影響比較大，隨著熱管數(shù)的增加，最高溫升呈現(xiàn)出先減小后增大的趨勢(shì)．這主要是由于熱管數(shù)的增加會(huì)使得換熱面積增大，從而使得散熱效果更好．隨著熱管數(shù)的進(jìn)一步增加，空氣的流動(dòng)將會(huì)受到影響，使對(duì)流換熱減弱，導(dǎo)致散熱效果變差．從圖7可看出，熱管數(shù)在150左右擁有最小的溫升．根據(jù)設(shè)計(jì)要求，3種冷卻條件下最高溫升應(yīng)分別低于77℃、37℃、27℃．

圖7　不同熱管數(shù)下的最高溫升

圖8給出了在不同冷卻條件下風(fēng)阻隨著熱管數(shù)的變化情況．可以看出隨著熱管數(shù)的增加，風(fēng)阻也在不斷上升．這主要是由于熱管數(shù)的增加會(huì)使得管間距變小，流動(dòng)阻力變大．從圖8中可以看出，熱管數(shù)在150左右時(shí)強(qiáng)制冷卻的風(fēng)阻滿足設(shè)計(jì)要求，分別低于15 Pa和54 Pa．在熱管散熱器中熱管是嵌入基板內(nèi)部的，結(jié)合圖1中元件安裝位置的要求，在設(shè)計(jì)中發(fā)現(xiàn)，采用151根熱管時(shí)可較好地避免熱管與模塊安裝空位的幾何干涉．因此，最終選用151根熱管．

圖8　不同熱管數(shù)下的風(fēng)阻

3.3熱管長(zhǎng)度對(duì)傳熱性能的影響

考慮到車載系統(tǒng)中各結(jié)構(gòu)輕量化的要求，為了減重和降低風(fēng)阻，結(jié)合仿真云圖，將未發(fā)揮最大傳熱效果即熱管頂端溫度相對(duì)較低的一部分熱管的長(zhǎng)度進(jìn)行縮短，圖9和圖10分別給出了基板的最高溫升和風(fēng)阻隨著熱管長(zhǎng)度的不同的變化規(guī)律．從圖中可以看出，最高溫升隨著熱管長(zhǎng)度的縮短會(huì)略有上升，這是由于熱管長(zhǎng)度縮短會(huì)導(dǎo)致?lián)Q熱面積減小，散熱效果削弱，與此同時(shí)風(fēng)阻隨著熱管長(zhǎng)度的縮短會(huì)逐漸減?。?/p>

由圖9可見，當(dāng)熱管長(zhǎng)度縮短至150 mm和120 mm，各工況下均仍能滿足最高溫升要求，但當(dāng)縮短至90 mm時(shí)，基板最高溫升在強(qiáng)制冷卻工況下分別超過37℃和27℃．

由圖10可見，當(dāng)熱管長(zhǎng)度在150 mm時(shí)，風(fēng)阻超出設(shè)計(jì)要求，當(dāng)熱管長(zhǎng)度縮短至120 mm和90 mm時(shí)，風(fēng)阻滿足要求．根據(jù)最高溫升和風(fēng)阻的設(shè)計(jì)要求，最終縮短的熱管長(zhǎng)度選用120 mm．

圖9　不同熱管長(zhǎng)度下的最高溫升

圖10　不同熱管長(zhǎng)度下的風(fēng)阻

3.4熱管散熱器的實(shí)驗(yàn)

根據(jù)CFD模擬結(jié)果并結(jié)合實(shí)際制造工藝，制作了熱管散熱器樣品，如圖11所示，并按照設(shè)計(jì)工況對(duì)該樣品實(shí)施了熱阻和風(fēng)阻的模擬測(cè)試．

圖11　熱管散熱器樣品

項(xiàng)目溫升/℃1 2 3風(fēng)阻/Pa1 2 3模擬結(jié)果66.5036.8025.38-1754實(shí)驗(yàn)結(jié)果66.2536.1324.85-1652相對(duì)誤差/%0.381.822.09-5.883.70

將數(shù)值模擬結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果進(jìn)行比較，結(jié)果如表2所示．可見在自然冷卻以及風(fēng)速為2 m/s和4 m/s強(qiáng)制冷卻條件下，基板的最大溫升和風(fēng)阻實(shí)測(cè)結(jié)果與模擬結(jié)果相對(duì)誤差均在5%以內(nèi)，同時(shí)也符合工程設(shè)計(jì)要求．

4結(jié)論

1)采用CFD軟件進(jìn)行軌道交通車輛牽引控制系統(tǒng)的散熱系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，可以較為準(zhǔn)確地模擬散熱器產(chǎn)品的溫度場(chǎng)和阻力特性，有助于確定熱管散熱器的結(jié)構(gòu)．

2)對(duì)影響熱管散熱器傳熱性能的主要幾何因素進(jìn)行了分析，發(fā)現(xiàn)翅片間距為9 mm，熱管數(shù)為151根，熱管長(zhǎng)度為120 mm時(shí)，散熱器擁有最佳的散熱性能．

3)本文中所開發(fā)的適用于軌道交通車輛牽引控制系統(tǒng)的熱管散熱器產(chǎn)品，其散熱性能優(yōu)越：在自然冷卻工況下使用時(shí)，散熱能力達(dá)4 070 W，熱阻<0.016 3℃/W；該產(chǎn)品經(jīng)測(cè)試其熱阻及風(fēng)阻特性與模擬結(jié)果的誤差均在5%以內(nèi)，滿足工程設(shè)計(jì)要求，不僅為產(chǎn)品最終進(jìn)入市場(chǎng)奠定了良好的基礎(chǔ)，也為今后設(shè)計(jì)此類大功率強(qiáng)制風(fēng)冷的熱管散熱器產(chǎn)品積累了成功的經(jīng)驗(yàn)．

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[責(zé)任編輯王康平]

DOI：10.13393/j.cnki.issn.1672-948X.2016.03.020

收稿日期：2015-11-17

通信作者：朱曉瓊(1984-)，女，碩士研究生，工程師，主要從事熱管換熱技術(shù)研究．E-mail：82023128@qq.com

中圖分類號(hào)：TK172.4

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1672-948X(2016)03-0090-05

Numerical Simulation and Design of Vehicle Heat Pipe Radiator

Zhu Xiaoqiong1Hu Niansu2Yu Wan3

(1. Shanghai WTL Heat Pipe Technology Co., Ltd., Shanghai 201318, China； 2. School of Power and Mechanical Engineering, Wuhan Univ., Wuhan 430072, China； 3. College of Mechanical & Power Engineering, China Three Gorges Univ., Yichang 443002, China)

AbstractWith the rapid development of rail transit vehicle in China, the cooling of power electronic devices of locomotive is becoming particularly urgent. As heat-pipe radiator has the advantages of remarkable thermal performance, high-efficiency and compact size, it has attracted more and more attentions. In this paper, the unit heat transfer of traction control system in rail transit vehicle is discussed. The numerical model of heat pipe radiator is constructed based on designed requirement; and then the temperature distribution and flow resistance are obtained. The influence of heat pipe distance, number, length on the maximum temperature rise and flow resistance are discussed. Finally, a suitable heat pipe radiator is designed; and there is only 5% difference of thermal resistance and flow resistance between experiment test and numerical simulation; it is an acceptable engineering tolerance.

Keywordsheat pipe radiator；thermal resistance；flow resistance；temperature rise