摘 要 當(dāng)前，主板散熱器設(shè)計(jì)多以經(jīng)驗(yàn)加實(shí)測(cè)為主，沒(méi)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(jì)指導(dǎo)規(guī)范，在設(shè)計(jì)時(shí)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(duì)象，對(duì)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(jì);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(duì)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(chǎng)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(duì)流，各模塊將熱量通過(guò)熱傳導(dǎo)方式傳遞給基板，基板再將熱量通過(guò)翅片，翅片與周圍空氣形成對(duì)流傳熱，是一個(gè)三維穩(wěn)態(tài)熱傳導(dǎo)過(guò)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(duì)流，可用牛頓冷卻公式表示：q=hAΔT（2）

q—對(duì)流帶走的熱量，w/m2;h—對(duì)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(yàn)，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(píng)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?yàn)?1W，IGBT為8W。

1.3 仿真計(jì)算

物理模型主要由外殼和散熱器兩個(gè)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(shí)測(cè)驗(yàn)證分析

為了驗(yàn)證AnsysIcepak的仿真精度，在焓差實(shí)驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行實(shí)際測(cè)試，焓差實(shí)驗(yàn)臺(tái)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(shí)際測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，驗(yàn)證仿真精度。在各元器件上布置熱電偶，并且在各個(gè)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(cè)試各個(gè)元器件溫度，外環(huán)54℃。實(shí)際測(cè)試數(shù)據(jù)與AnsysIcepak仿真數(shù)據(jù)對(duì)比具體如表1所示。

實(shí)驗(yàn)測(cè)得的各個(gè)元器件溫度分布與仿真所得各個(gè)元器件溫度分布趨勢(shì)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(shí)，簡(jiǎn)化了外機(jī)風(fēng)道內(nèi)的隔板和風(fēng)葉，對(duì)仿真結(jié)果存在一定的影響[2]。

表1 實(shí)際測(cè)試與仿真數(shù)據(jù)對(duì)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(jì)選型主要根據(jù)空調(diào)外機(jī)的空間、風(fēng)的流動(dòng)方向等方面來(lái)進(jìn)行設(shè)計(jì)選型，然而，根據(jù)這三個(gè)因素設(shè)計(jì)出的散熱器不一定是散熱效果最優(yōu)的散熱器，因?yàn)榛搴穸?、翅片間距過(guò)大或過(guò)小都會(huì)降低散熱效果。散熱器與多個(gè)點(diǎn)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。基板厚度的變化，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(guò)薄，橫向傳遞被削弱，熱量只能聚集在點(diǎn)熱源附近向上傳遞，散熱效果差。當(dāng)基板過(guò)厚，熱阻增大，縱向傳遞變?nèi)?，散熱效果也?huì)變差。當(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(shí)增加了風(fēng)的流動(dòng)阻力。

4幾何參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)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(duì)應(yīng)的溫度最高的元器件均為整流橋。翅片間距d=5mm時(shí)，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(guò)大或過(guò)小，翅片間距過(guò)大，翅片數(shù)目減少，散熱表面積減少;翅片間距過(guò)小，流動(dòng)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(duì)散熱效果的影響

圖1為不同基板厚度對(duì)散熱效果的影響圖，從圖1可知，基板厚度h=6mm時(shí)，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(zhǎng)度的散熱器，翅片長(zhǎng)度分別為L(zhǎng)=50mm、L=60mm、L=70mm。

5結(jié)束語(yǔ)

該仿真分析方法與實(shí)測(cè)趨勢(shì)一致，可以指導(dǎo)設(shè)計(jì)，提高設(shè)計(jì)效率。翅片間距、基板厚 度均不能過(guò)大和過(guò)小，由于成本、空間限制，翅片長(zhǎng)度不能過(guò)長(zhǎng)

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(guò)熱問(wèn)題的分析及對(duì)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(jì)[J].日用電器，2015 （8）：54-56.

作者簡(jiǎn)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(shí)代通信信號(hào)有限公司，研究方向：鐵路信號(hào)設(shè)備熱設(shè)計(jì)及輕量化研究。