基于fluent軟件的散熱器參數(shù)優(yōu)化及其應(yīng)用方案

趙榮華 張郭輝

（珠海三友環(huán)境技術(shù)有限公司 珠海 519000）

引言

變頻空調(diào)在部分地區(qū)使用環(huán)境會(huì)涉及高溫制冷，在高溫環(huán)境下，驅(qū)動(dòng)板的IGBT等功率器件溫度急劇升高，影響控制器運(yùn)行穩(wěn)定性和制冷能力的可靠輸出。目前常用的高溫散熱方案包括冷媒散熱和風(fēng)道輔助散熱，冷媒散熱需要增加成本，簡(jiǎn)單的風(fēng)道散熱效率不高并存在引入灰塵到驅(qū)動(dòng)板上的問題。為提高散熱效率，降低散熱成本，針對(duì)影響散熱的關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，并優(yōu)化風(fēng)道輔助散熱方案，使功率器件可以得到高效散熱。

1 散熱效率影響因素

根據(jù)熱量傳遞的三種基本方式——熱傳導(dǎo)、對(duì)流換熱、輻射散熱，分析確定影響散熱效率的主要因素。

熱傳導(dǎo)，熱量從發(fā)熱器件傳遞到散熱器上，以及熱量在散熱器內(nèi)的傳遞都屬于熱傳導(dǎo)。經(jīng)典傳熱學(xué)中熱傳導(dǎo)可以用傅里葉導(dǎo)熱定律描述：

式中：

dQ/dt （Q上一點(diǎn)）—導(dǎo)熱速率；

T—溫度；

A—傳熱面積；

k—導(dǎo)熱系數(shù)；

x—在導(dǎo)熱面上的坐標(biāo)。

從公式可以看出，導(dǎo)熱系數(shù)和傳熱面積是熱傳導(dǎo)中影響傳熱效率的兩個(gè)關(guān)鍵因素。在空調(diào)領(lǐng)域中，鋁合金導(dǎo)熱效能和經(jīng)濟(jì)性綜合表現(xiàn)是比較好的，應(yīng)用比較廣泛。

對(duì)流換熱可用牛頓冷卻定律描述：

(4)狠抓大基地、大集團(tuán)為龍頭發(fā)展煤炭洗選，促進(jìn)洗選加工現(xiàn)代化建設(shè)。目前大型基地、大型企業(yè)的原煤入選比例已經(jīng)超過70%，點(diǎn)多面廣、布局分散的中小選煤廠的技改、整頓、聯(lián)合、提高也在快速發(fā)展，正在促進(jìn)煤炭洗選加工業(yè)整體面貌改變。

式中：

q—傳熱量；

h—對(duì)流換熱系數(shù)；

A—換熱面面積；

Tw—固體表面溫度；

Tf—流體溫度。

通過加大對(duì)流換熱面積，可以有效的提升換熱效率。但加大換熱面積，通常意味著散熱器要做的尺寸更大，進(jìn)而導(dǎo)致產(chǎn)品整體尺寸變大，另外，加大散熱器還意味著成本的提升[1]。

輻射散熱主要是對(duì)散熱器選擇合適的表面處理方式，根據(jù)目前行業(yè)經(jīng)驗(yàn)，此種處理方式對(duì)空調(diào)用散熱器的散熱效率提升不明顯。

因此，本文針對(duì)不同環(huán)境溫度、進(jìn)風(fēng)口氣流流速、散熱片高度、散熱片間隙等關(guān)鍵影響因素進(jìn)行分析，確定對(duì)散熱器散熱效率的影響。

1.2 環(huán)境溫度對(duì)穩(wěn)定溫度的影響分析

在基本條件相同情況下，模擬不同環(huán)境溫度對(duì)其散熱的影響。通過圖1分析數(shù)據(jù)顯示環(huán)境溫度增加，散熱器的最終溫度也增加并和環(huán)境溫度提高的ΔT接近，說明降低進(jìn)入散熱器流體的溫度對(duì)散熱效果有較大作用。

圖1 環(huán)境溫度T=40℃、50℃、60℃散熱溫度云圖

1.3 氣流流速對(duì)穩(wěn)定溫度的影響分析

1）環(huán)境溫度T=40 ℃，強(qiáng)制對(duì)流條件下不同氣流速度對(duì)散熱效果影響，圖2曲線數(shù)據(jù)顯示，在2 m/s之后散熱器能量點(diǎn)的溫度下降幅度變化率基本一致，曲線開始趨緩；

圖2 流速與表面溫度分析

2）氣流流速從0.5 m/s到6 m/s，溫度降低25 ℃，說明了氣流流速對(duì)散熱影響很大。

1.4 散熱器散熱片高度對(duì)穩(wěn)定溫度的影響分析

環(huán)境溫度T=40 ℃，強(qiáng)制對(duì)流速度3 m/s，按照原散熱器高度增加（-10 mm～10 mm）模擬仿真，圖3數(shù)據(jù)顯示散熱片高度ΔH增加對(duì)散熱效果有益，并看出高度越高散熱越好；散熱片高度ΔH增加后使之散熱表面積增加、總質(zhì)量增加，數(shù)據(jù)顯示增加20 mm后，溫度只降低了3 ℃左右，效果不明顯。

圖3 散熱片高度ΔH與表面溫度分析

1.5 散熱器散熱片間隙對(duì)穩(wěn)定溫度的影響分析

散熱器的散熱片間隙更改其對(duì)應(yīng)的換熱面積隨之變化，必會(huì)影響散熱效果，圖4顯示按照現(xiàn)有散熱片間距，小范圍更改對(duì)整個(gè)散熱器散熱效果影響不大。

圖4 散熱片間距調(diào)整模擬仿真云圖

加大換熱面積還必須要同時(shí)考慮系統(tǒng)風(fēng)阻，因?yàn)榧?xì)密的散熱器在加大換熱面積的同時(shí)，還會(huì)增加風(fēng)阻，影響內(nèi)部空氣流動(dòng)，進(jìn)而降低對(duì)流換熱系數(shù)。

2 散熱器結(jié)構(gòu)優(yōu)化

2.1 散熱片優(yōu)化方案一

圖5顯示原有散熱片低溫線區(qū)域分布不均勻，導(dǎo)致在相同狀態(tài)下每片材料散熱效率不平衡，為此將其調(diào)整，滿足各個(gè)對(duì)應(yīng)部位都分布在對(duì)應(yīng)的等溫線區(qū)域內(nèi)，使每片材料的散熱效率大致平衡，從而使散熱片可以最大程度利用。

圖5 散熱器優(yōu)化溫度分布云圖

2.2 散熱片優(yōu)化方案二

在方案一優(yōu)化方案的基礎(chǔ)上，如圖6將散熱片表面調(diào)整為波浪形，在不加大散熱器外形尺寸的情況下，增大散熱片的表面積，同時(shí)加厚散熱器底座，加快熱量傳遞速度[2]。如表1數(shù)據(jù)顯示優(yōu)化散熱片結(jié)構(gòu)后，散熱溫度下降明顯。

表1 散熱優(yōu)化參數(shù)對(duì)比

圖6 散熱器優(yōu)化方案及溫度分布云圖

3 輔助散熱設(shè)計(jì)

除了散熱器本身的散熱性能外，散熱器外界的溫度和表面氣流流速都會(huì)對(duì)散熱效果產(chǎn)生較大影響。因此降低流過散熱器表面氣流的溫度和提高氣流流速，是經(jīng)濟(jì)、有效的提高散熱效率方式[3]。由于空調(diào)外機(jī)殼體內(nèi)的空氣經(jīng)過冷凝器、壓縮機(jī)等發(fā)熱元器件加熱，使殼體內(nèi)的空氣溫度升高，從機(jī)外吸取外界環(huán)境空氣，可有效降低流經(jīng)散熱器表面空氣的溫度。

假如只在前面板開孔，在外機(jī)腔負(fù)壓作用下，氣流從前面板進(jìn)入，氣流會(huì)直接向風(fēng)葉中心流過，經(jīng)過散熱器表面的氣流相對(duì)減小。設(shè)置一個(gè)零件與散熱器裝配形成閉環(huán)的風(fēng)道，在外機(jī)腔負(fù)壓作用下，氣流從前面板進(jìn)入，再經(jīng)過此風(fēng)道掠過散熱器表面。在散熱器下端增加輔助風(fēng)道后，有效限制了氣流方向，增大了散熱器對(duì)流換熱有效面積，為此散熱效果得到很大提升。并且可以避免氣流從控制器表面經(jīng)過，使外界的灰塵吸附到控制器上，影響電控的可靠性。

圖7 輔助散熱方案

輔助風(fēng)道的設(shè)計(jì)中應(yīng)注意出風(fēng)口的開口位置及大小，出風(fēng)口應(yīng)在風(fēng)葉尖末端，在風(fēng)葉旋轉(zhuǎn)區(qū)域的后端，此處負(fù)壓最大。出風(fēng)口在允許的范圍內(nèi)盡量做到最大尺寸，同時(shí)在靠近冷凝器端處輔助風(fēng)道應(yīng)設(shè)計(jì)氣流擋板，阻止從冷凝器進(jìn)入的氣流與前面板進(jìn)入的氣流進(jìn)行疊加抵消，減弱前面板進(jìn)入氣流流量。

4 結(jié)論

在空間給定，不大幅增加成本的情況下，調(diào)整散熱器表面形狀，增大單個(gè)散熱片的表面換熱面積，降低流過散熱器表面氣流的溫度和提高氣流流速，可以經(jīng)濟(jì)、高效的提高散熱器的散熱效率。而利用空調(diào)外機(jī)風(fēng)葉產(chǎn)生的負(fù)壓，從外界空氣中吸取相對(duì)溫度較低的氣流來給散熱器散熱，則是容易實(shí)現(xiàn)且相對(duì)較好的選擇。