基于Icepak主板散熱器優(yōu)化設(shè)計研究

摘 要 當(dāng)前，主板散熱器設(shè)計多以經(jīng)驗加實測為主，沒有相關(guān)的仿真分析方法或仿真精度低，缺少相關(guān)的設(shè)計指導(dǎo)規(guī)范，在設(shè)計時具有一定的盲目性。在這樣的背景下，本文以某主板散熱器為研究對象，對空調(diào)主板散熱仿真分析方法進(jìn)行分析，可供參考。

關(guān)鍵詞 Icepak主板散熱器;優(yōu)化設(shè)計;仿真精度

1主板散熱器仿真分析

1.1 散熱理論基礎(chǔ)分析

散熱器的散熱方式有熱傳導(dǎo)、熱對流和輻射散熱，由于散熱器采用的是鋁擠型材，輻射較小，而且散熱器處在外機(jī)風(fēng)場中，散熱器表面存在氣流組織，所以散熱仿真主要考慮熱傳導(dǎo)和熱對流，各模塊將熱量通過熱傳導(dǎo)方式傳遞給基板，基板再將熱量通過翅片，翅片與周圍空氣形成對流傳熱，是一個三維穩(wěn)態(tài)熱傳導(dǎo)過程[1]，其三維熱傳導(dǎo)方程具體如下所示：

Q—物體內(nèi)部熱源密度，w/m2;λx、λy、λz—x、y、z三方向的熱傳導(dǎo)系數(shù)，w/m·k;ρ—密度。

本文考慮強(qiáng)制對流，可用牛頓冷卻公式表示：q=hAΔT（2）

q—對流帶走的熱量，w/m2;h—對流傳熱系數(shù)，w/㎡·K;ΔT—流體與散熱器表面溫差，℃

1.2 功率及熱阻估算

主板發(fā)熱主要有PFC電路和逆變電路，功率元器件有IPM、二極管D1/D2、整流橋、IGBT，以整機(jī)輸入功率為依據(jù)，根據(jù)經(jīng)驗，PFC電路的效率大概是96%～97%，除去電感之外，整流橋、二極管和IGBT的共同消耗可以按1.5%評估。IPM的逆變效率大概是96%左右，占空比0.5，各功率元器件估算具體如下：整機(jī)輸入功率3800W，元器件總耗散功率為122W，IPM為53W，二極管為8W，整流橋為21W，IGBT為8W。

1.3 仿真計算

物理模型主要由外殼和散熱器兩個部分組成。散熱器上有控制器元器件，分別為IPM、整流橋、二極管、IGBT。

2實測驗證分析

為了驗證AnsysIcepak的仿真精度，在焓差實驗臺進(jìn)行實際測試，焓差實驗臺可以調(diào)節(jié)風(fēng)量，設(shè)置不同的外環(huán)和內(nèi)環(huán)溫度和濕度，然后與實際測試數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，驗證仿真精度。在各元器件上布置熱電偶，并且在各個元器件與散熱器接觸表面涂上散熱膏，散熱膏涂抹均勻。在高溫制冷工況下測試各個元器件溫度，外環(huán)54℃。實際測試數(shù)據(jù)與AnsysIcepak仿真數(shù)據(jù)對比具體如表1所示。

實驗測得的各個元器件溫度分布與仿真所得各個元器件溫度分布趨勢一致，雖然存在誤差，但是誤差較小，最大誤差2.3℃。原因是仿真物理建模時，簡化了外機(jī)風(fēng)道內(nèi)的隔板和風(fēng)葉，對仿真結(jié)果存在一定的影響[2]。

表1 實際測試與仿真數(shù)據(jù)對比

3散熱器關(guān)鍵影響參數(shù)分析

當(dāng)前，主板散熱器的設(shè)計選型主要根據(jù)空調(diào)外機(jī)的空間、風(fēng)的流動方向等方面來進(jìn)行設(shè)計選型，然而，根據(jù)這三個因素設(shè)計出的散熱器不一定是散熱效果最優(yōu)的散熱器，因為基板厚度、翅片間距過大或過小都會降低散熱效果。散熱器與多個點熱源直接接觸，因此，基板溫度非均勻的，在橫向上存在極大的溫度梯度?；搴穸鹊淖兓?，不僅影響了縱向上向翅片傳導(dǎo)的熱流密度，也影響了橫向上的熱量擴(kuò)散。當(dāng)基板過薄，橫向傳遞被削弱，熱量只能聚集在點熱源附近向上傳遞，散熱效果差。當(dāng)基板過厚，熱阻增大，縱向傳遞變?nèi)酰嵝Ч矔儾?。?dāng)翅片間距變小，翅片數(shù)目增多，增加了散熱表面積，但是同時增加了風(fēng)的流動阻力。

4幾何參數(shù)優(yōu)化設(shè)計研究

不同翅片間距的散熱器，翅片間距分別為d=3mm、d=5mm、d=7mm。不同散熱器對應(yīng)的溫度最高的元器件均為整流橋。翅片間距d=5mm時，各元器件溫度最低，散熱效果最好，翅片間距d=7mm次之，翅片間距d=3mm散熱效果最差。因此翅片間距不能過大或過小，翅片間距過大，翅片數(shù)目減少，散熱表面積減少;翅片間距過小，流動阻力增加，散熱效果變差。不同基板厚度的散熱器，基板厚度分別為h=4mm、h=6mm、h=8mm。

圖1 不同基板厚度對散熱效果的影響

圖1為不同基板厚度對散熱效果的影響圖，從圖1可知，基板厚度h=6mm時，各元器件溫度最低，散熱效果最好，基板厚度h=4mm次之，基板厚度h=8mm散熱效果最差，但是三種基板厚度的散熱器散熱效果相差不大，元器件最大溫差為2℃。不同翅片長度的散熱器，翅片長度分別為L=50mm、L=60mm、L=70mm。

5結(jié)束語

該仿真分析方法與實測趨勢一致，可以指導(dǎo)設(shè)計，提高設(shè)計效率。翅片間距、基板厚 度均不能過大和過小，由于成本、空間限制，翅片長度不能過長

參考文獻(xiàn)

[1] 吳俊鴻，楊檢群，楊杰，等.變頻空調(diào)控制器IPM過熱問題的分析及對策[J].制冷技術(shù)，2012（4）：51-54.

[2] 黃滔，李發(fā)順.變頻空調(diào)功率器件散熱器設(shè)計[J].日用電器，2015 （8）：54-56.

作者簡介

趙臣烜（1985-），男，四川達(dá)州人;學(xué)歷：本科，職稱：工程師，現(xiàn)就職單位：湖南中車時代通信信號有限公司，研究方向：鐵路信號設(shè)備熱設(shè)計及輕量化研究。