張金龍，盧 鑫，王良璧*

(1.蘭州交通大學(xué) 機電工程學(xué)院，蘭州 730070；2.鐵道車輛熱工教育部重點實驗室(蘭州交通大學(xué))，蘭州 730070)

近年來動力變送設(shè)備朝著大功率、高密度的方向發(fā)展,隨之設(shè)備的散熱問題也越來越明顯.若熱量無法及時有效地散失,則會導(dǎo)致電子器件溫度不斷升高以致電子器件損壞.這直接影響設(shè)備的穩(wěn)定性和可靠性,甚至造成重大的安全生產(chǎn)事故.因此,對電子器件有效散熱方式和冷卻結(jié)構(gòu)的研究有著十分重要的意義.

隨著電子器件功率密度和發(fā)熱量越來越大,熱沉的性能對于電子器件乃至整個電氣系統(tǒng)都顯得尤為重要.熱沉結(jié)構(gòu)是其性能的決定性因素,國內(nèi)外很多學(xué)者對熱沉結(jié)構(gòu)進(jìn)行了研究.王文奇等人[1]提出了一種新型樹葉形翅片的熱沉,將樹葉形翅片與豎直平板翅片、開縫翅片等典型翅片的傳熱性能進(jìn)行了對比分析研究.結(jié)果表明樹葉形翅片的翅片傾角與翅片間距存在最佳值,該新型樹葉形翅片是一種有效的通信機柜強化散熱結(jié)構(gòu).周俊杰等人[2]針對平板翅片式熱沉的不足,對分段翅片式熱沉進(jìn)行了參數(shù)優(yōu)化,比較分析了不同分段數(shù)時熱沉的換熱系數(shù)與阻力的變化規(guī)律.結(jié)果表明分段數(shù)越多,阻力越大,平均換熱系數(shù)隨分段數(shù)先增大后減小,其存在最優(yōu)值.方佳怡等人[3]對半橋型IGBT器件的溫度場分布進(jìn)行了數(shù)值模擬,得到了溫度最高點在芯片處以及芯片與引線的連接處,找到了器件損壞的主要原因是散熱不良導(dǎo)致的焊接處脫落.李廣義等人[4]通過在IGBT模塊平板翅片式熱沉前增加導(dǎo)風(fēng)板,使得空氣流速在翅片間分布均勻,從而提高了熱沉的性能.林弘毅等人[5]針對典型的強迫風(fēng)冷熱沉模型,提出了一種以散熱系統(tǒng)體積最優(yōu)為目標(biāo)的優(yōu)化設(shè)計方法,其設(shè)計的模型平均熱阻誤差在7%以內(nèi),在保證性能的前提下有效地降低了散熱系統(tǒng)的體積.裴元帥等人[6]基于拓?fù)鋬?yōu)化方法對風(fēng)冷熱沉進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計,以最小壓降為優(yōu)化目標(biāo),得到了三維熱沉模型,并用數(shù)值模擬的方法驗證了模型的有效性.蔡惠坤等人[7]對帶有內(nèi)流道的平板翅片式熱沉進(jìn)行了研究,并用實驗驗證了數(shù)值分析的準(zhǔn)確性,其研究結(jié)果表明將空氣、熱流體、熱沉三者耦合的仿真分析模型在準(zhǔn)確計算換熱量時是很有必要的.龔振興等人[8]研究了熱沉的基板開孔對散熱的影響,發(fā)現(xiàn)開孔后可以降低電子元件溫度,原因是通孔破壞了散熱片的邊界層,引起局部表面對流換熱增強.沈麗萍等人[9]對于肋片式熱沉的肋片表面形狀進(jìn)行了研究,模擬了不同肋片表面形狀的散熱特性,最終發(fā)現(xiàn)半圓形肋片較三角形肋片和矩形肋片的性能好.同時還對熱沉肋片的排布結(jié)構(gòu)進(jìn)行了研究,對比研究得到了一種性能更好的結(jié)構(gòu).Lee等人[10]研究了強迫對流下加熱位置對熱沉性能的影響,得到在層流時,加熱位置位于熱沉上游時效果更好.Freegah等人[11]研究了在肋片上增加半圓形凸起,使得肋片表面的平均努謝爾數(shù)相對于無凸起的平板熱沉增加了34.48%.Pua等人[12]對肋片式熱沉在自然對流和強迫對流下進(jìn)行了實驗研究,結(jié)果表明實驗得到的換熱系數(shù)比關(guān)聯(lián)式計算的換熱系數(shù)大大約20%.Teertstra等人[13]提出了平行板肋片式熱沉換熱系數(shù)計算的關(guān)聯(lián)式,假設(shè)肋片迎風(fēng)截面、肋片間基板表面為絕熱的,實驗驗證實驗所得努謝爾數(shù)與關(guān)聯(lián)式結(jié)果誤差約為6%,其使用條件為肋片間隙遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于肋片高度.當(dāng)肋片高度較小時需要考慮基板和肋片頂部流體擾流的情況.對于以上學(xué)者的研究可以看出,電子器件熱沉結(jié)構(gòu)對其性能有著較大的影響,熱沉的散熱性能仍有提升的余量.

本文通過實驗的方法對一種大功率二極管熱沉性能進(jìn)行了研究.實驗得到了其肋片表面換熱系數(shù),并將結(jié)果與經(jīng)典的關(guān)聯(lián)式進(jìn)行了對比分析.通過對其熱阻網(wǎng)絡(luò)圖進(jìn)行分析,說明其熱阻的構(gòu)成,分析其主要熱阻,找出降低熱阻提高性能的方法.通過本文的研究為整流元件熱沉的設(shè)計提供參考,從而提高電器元件工作的可靠性和安全性.

1 物理模型

二極管是整流裝置的核心元件,雖然其轉(zhuǎn)化效率較高,但是當(dāng)工作電流較大時依然會產(chǎn)生大量的熱量.二極管常用的冷卻方式有自冷、風(fēng)冷和水冷.一些小功率的二極管靠管腳及外殼的自然對流進(jìn)行冷卻.大功率的二極管常做成平板式,在二極管兩側(cè)裝有熱沉,采用強制對流冷卻,如圖1(a)所示.通過熱沉與二極管兩端接觸面導(dǎo)熱來傳遞熱量,同時熱沉還作為二極管的引線與電路連接.所以平板式二極管的熱沉不僅要導(dǎo)熱還要導(dǎo)電.雖然銅具有良好的導(dǎo)電性和較高的導(dǎo)熱系數(shù),然而從經(jīng)濟性的角度考慮,大部分二極管熱沉都用鋁作為材料.鋁制熱沉可以是壓鑄成型、擠壓鋁型材、機械加工成型.

二極管PN結(jié)到外殼的熱阻約為0.012 K/W,即二極管內(nèi)部溫度分布也是不均勻的.在本研究中將二極管簡化成一個均勻的發(fā)熱源.散熱器材質(zhì)為鋁,牌號為3003,其物性參數(shù)如表1所示.

表1 鋁的物性參數(shù)

實驗用熱沉的形狀如圖1(b)所示.熱沉幾何參數(shù)如圖2所示,從熱沉迎風(fēng)方向看,散熱器總寬度71 mm(圖中W),高度122 mm(圖中Ht),氣流方向深度L為140 mm.散熱器基板厚度30 mm(圖中Hb),熱源直徑63 mm.散熱器單個肋片截面呈矩形,肋片厚度t為3 mm,肋片間距b為3.4 mm,肋片高度H為46 mm,散熱器四周與通道壁面的距離均為5 mm.圖2中冷卻空氣從垂直紙面方向流入.Ti為測溫用熱電偶布置點,在熱源與熱沉接觸表面二分之一半徑的圓上均勻布置了4個熱電偶,用來測量熱源表面的溫度.在每個肋片長度方向的中間截面,依次在肋根、肋中、肋頂布置了3個熱電偶,該熱沉基板一側(cè)有11個肋片,在肋片上共布置了33個熱電偶.

圖1 平板式二極管熱沉

圖2 熱沉結(jié)構(gòu)參數(shù)及熱電偶布置位置

實驗中為了模擬二極管在工作中的發(fā)熱,設(shè)計了一個加熱塊,其結(jié)構(gòu)如圖3所示.該加熱塊模擬一整流二級管,其外形為直徑63 mm、厚度為26 mm的圓柱體.二極管的兩端對稱安裝一對熱沉,熱量從二極管與熱沉的接觸面?zhèn)鲗?dǎo)至熱沉,最終經(jīng)熱沉散失到空氣中.該加熱塊由鋁做成,在其圓周面上打了14個平行的盲孔,孔內(nèi)徑6 mm,深50 mm.將14個加熱功率為100 W的干燒加熱管插入其中,并在加熱管與孔的間隙內(nèi)涂覆導(dǎo)熱硅脂,整體加熱塊功率可達(dá)到1 400 W.由加熱塊及兩個熱沉組成的實驗試件如圖1(b)所示.

圖3 加熱塊

對于矩形截面直肋的熱沉在工程領(lǐng)域內(nèi)應(yīng)用較為廣泛,其機構(gòu)簡單,可以通過多種加工方式進(jìn)行生產(chǎn).其性能可以通過熱阻來進(jìn)行分析.熱沉總熱阻計算公式為[14]:

R=Rf+Rcb+Rcf.

(1)

其中:Rf為肋片與周圍空氣進(jìn)行對流換熱的熱阻,Rcf是肋的導(dǎo)熱熱阻,Rcb為肋基導(dǎo)熱熱阻,其中Rcb包含因熱源與基板面積不同或熱源布置位置引起的熱阻,該熱阻使得熱沉散熱性能變差[15].

Rf=1/(hAf).

(2)

上式中h為對流傳熱系數(shù),Af為肋片表面積.

Rc=sc/(kAb).

(3)

Rc為某一方向的導(dǎo)熱熱阻,上式中sc某一方向熱量傳導(dǎo)的距離,k為熱沉材料的導(dǎo)熱系數(shù),Ab為熱傳導(dǎo)的截面積.

2 實驗系統(tǒng)及方法

如圖4所示,實驗系統(tǒng)主要由風(fēng)洞、實驗測試段、直流電源、測溫雙臂電橋、功率計、微壓計及試驗試件構(gòu)成.風(fēng)洞用于提供一定流速的冷卻空氣,用笛形管測量空氣的流速.用均勻布置在熱沉空氣進(jìn)出口的熱電阻測量空氣的進(jìn)出口溫度.用一個與二極管尺寸相同的加熱塊作為熱源,其最大加熱功率1 400 W,功率連續(xù)可調(diào),用數(shù)字功率計測量加熱功率.實驗熱沉與模擬加熱塊被固定在測試段的風(fēng)道中,通過螺釘固定,確保肋片不與風(fēng)道內(nèi)壁接觸.冷卻空氣流經(jīng)熱沉將加熱塊產(chǎn)生的熱量帶走.在試驗中存在如下熱平衡,即加熱功率等于平行板二極管兩側(cè)熱沉所散失的熱量.

圖4 實驗系統(tǒng)示意圖

Pe=Q.

(4)

這里Pe為加熱功率.Q為空氣帶走的熱量,通過測量空氣流量qm及進(jìn)出口溫度Tain、Taout可以算得,Q=Cpqm(Taout-Tain).實驗過程中,調(diào)整加熱功率和空氣流量一定時,經(jīng)過一段時間當(dāng)熱沉溫度不再變化即認(rèn)為達(dá)到了熱平衡.在此時采集加熱功率、空氣流量、空氣溫度以及熱沉肋片和加熱塊的溫度.

為了準(zhǔn)確測量各個肋片的溫度,在每個肋片上布置了熱電偶,通過高精度數(shù)采在實驗時采集溫度信號.熱電偶布置位置如圖1(b)和圖2所示,在熱源與熱沉接觸面布置4個熱電偶,通過測量值計算得到熱源表面的平均溫度.在熱沉氣流方向,熱沉的中間,在每個肋片的肋根、肋中、肋頂分別布置了一個熱電偶,用來測量熱沉不同位置處的溫度.

該實驗系統(tǒng)具有較好的測量精度,然而誤差始終無法避免.空氣流速測量裝置采用了笛形管和二等級補償式微壓計,最小分度值0.01 mm水柱,測量動壓誤差約為±0.8 Pa.空氣溫度采用熱電阻測量,其測量誤差為±0.3 ℃,相對誤差約為±1.2%.加熱功率采用PA323型電功率計測量,其具有0.1%的功率測量精度.在進(jìn)行該傳熱實驗時,熱平衡誤差不大于±5%.

通過實驗測得的數(shù)據(jù)可以計算出肋片的平均傳熱系數(shù)h.

h=Φ/(A0η0(t0-tf)).

(5)

其中:

η0=(Af+ηfAf)/(Ar+Af).

(6)

式中:Φ為導(dǎo)熱的熱流量,t0為肋片根部平均溫度,tf為流體的溫度.A0肋片根部面積與肋片表面積之和,η0位肋面總效率[16].根據(jù)矩形截面直肋的肋效率計算公式,ηf的計算與對流傳熱系數(shù)有關(guān),為了計算肋片的效率,需首先假設(shè)肋片表面平均傳熱系數(shù)為h,計算得到一個肋效率ηf,通過實驗測得Φ、t0,tf,又已知A0,當(dāng)假設(shè)的h滿足式(5)時,即假設(shè)的h為要計算的傳熱系數(shù).

3 實驗結(jié)果

電器元件用熱沉常采用自然對流和強制對流進(jìn)行冷卻.由于該二極管發(fā)熱量較大,在實際使用時采用強制對流冷卻,要求肋片迎風(fēng)面來流速度不小于5 m/s.實驗時選取肋片迎風(fēng)面來流速度在4～6.5 m/s的范圍內(nèi)的不同工況點進(jìn)行測量,并將該流速折算到肋片之間的通道中,肋片縫隙中流速為9.0～15 m/s.同時根據(jù)實際二極管的工作電流及壓降確定了型號為ZP2000/28的額定功耗為1 054 W,實驗時選取加熱塊功率分別為600 W、800 W、1 000 W進(jìn)行實驗.根據(jù)測量結(jié)果對該熱沉最高過余溫度、對流換熱系數(shù)、熱阻進(jìn)行分析.

3.1 熱沉最高過余溫度

對于這樣一個熱源置于基板側(cè)面的熱沉,熱源接觸面溫度最高,熱源與熱沉接觸面溫度與進(jìn)氣溫度的差值隨空氣流速及加熱功率的變化關(guān)系如圖5所示.溫差隨空氣流速的增加不斷的降低.且加熱功率越大,熱源最高溫度與進(jìn)氣溫度的差值也相應(yīng)的越高.當(dāng)二極管發(fā)熱功率為1 000 W,進(jìn)氣溫度為26.3 ℃時,空氣流速為11.5 m/s,熱源最高溫度與進(jìn)氣溫度的差值為67.1 ℃,這樣可推算得當(dāng)進(jìn)氣溫度為40 ℃時,二極管殼溫為107.1 ℃,二極管結(jié)溫約為119.1 ℃,低于二極管允許的最高結(jié)溫150 ℃.當(dāng)最高溫度超過了二極管的結(jié)溫時,有可能就導(dǎo)致二極管損壞,所以需進(jìn)行溫度管理以確保二極管安全可靠地工作.

圖5 不同加熱功率下最高溫度與進(jìn)氣溫度的差值隨空氣流速的變化關(guān)系

3.2 對流傳熱系數(shù)

在不同加熱功率下改變冷卻空氣流速對熱沉進(jìn)行實驗,通過測得的數(shù)據(jù)計算出肋片平均的對流傳熱系數(shù).如圖6所示,可以看出相同流速下肋片具有相同的對流傳熱系數(shù).改變空氣流速,肋片的對流傳熱系數(shù)隨著空氣流速的增加而不斷的增加.可以看出提高空氣流速可以增強熱沉肋片表面的對流傳熱,從而提高熱沉的散熱能力.

圖6 肋片表面平均對流傳熱系數(shù)

對于這樣一個熱源布置于基板側(cè)面的熱沉模型,為了驗證該模型性能參數(shù)能否用經(jīng)典的關(guān)聯(lián)式進(jìn)行計算,將實驗所得平均傳熱系數(shù)h與Teertstra[13]得到的關(guān)聯(lián)式進(jìn)行比較.對于平行肋片間流道內(nèi)的對流傳熱,其努謝爾數(shù)可以用式(7)進(jìn)行計算.

(7)

Reb=Ub/υ.

(8)

(9)

η=Nub/Nui.

(10)

h=Nuikf/b.

(11)

其中:b為肋片間距、L為肋片在氣流方向的長度.kf為空氣的導(dǎo)熱系數(shù),ν為空氣的運動粘度,采用邊界層中流體的平均溫度,即tf=(tw+ta)/2,作為定性溫度.根據(jù)通道的結(jié)構(gòu)參數(shù)及其內(nèi)部的流速,可以計算得到努謝爾數(shù)Nub,進(jìn)而計算得到平均對流傳熱系數(shù)h.將用該方式下所得結(jié)果與實驗進(jìn)行比較,計算結(jié)果如表2所示.

表2 實驗結(jié)果與關(guān)聯(lián)式[13]的對比

同時將實驗結(jié)果與Teertstra[13]關(guān)聯(lián)式計算結(jié)果(方程(11))進(jìn)行對比,如圖7所示.Teertstra關(guān)聯(lián)式計算的傳熱系數(shù)較實驗測得的傳熱系數(shù)小,最大誤差為-13.2%.其主要原因是用于熱沉夾裝提供拉緊力的拉桿在肋片附近產(chǎn)生的擾流作用,使得肋片局部換熱系數(shù)增強,在流速越大時這種作用越明顯.可見Teertstra關(guān)聯(lián)式比較好地預(yù)測空氣速度低時肋片表面的平均傳熱系數(shù),空氣速度高時誤差較大.

圖7 實驗結(jié)果與關(guān)聯(lián)式對比圖

3.3 熱阻分析

肋片與空氣的對流熱阻、肋片的導(dǎo)熱與基板導(dǎo)熱熱阻組成了較為復(fù)雜的熱阻網(wǎng)絡(luò),該二極管熱沉熱阻網(wǎng)絡(luò)如下圖8所示.其中Rfi為每個肋片到空氣的對流換熱的熱阻,Rbj為相鄰肋片之間基板的導(dǎo)熱熱阻,R為熱沉總熱阻,總熱阻為熱源到空氣的熱阻.

圖8 熱阻網(wǎng)絡(luò)圖

R=(ts-tf)/Φ.

(12)

其中:ts為熱源與基板接觸面的溫度,為熱沉溫度最高的地方,tf為流體的溫度,Φ為熱流量.

假設(shè)流過每個肋片的空氣流速相同,則各肋片表面具有相同的對流傳熱系數(shù)h,即Rfi均相等.則有:

Rfi=(t0i-tf)/Φi.

(13)

其中:t0i為每個肋片肋根的溫度,可通過實驗測得,tf為空氣的平均溫度,亦可通過實驗測得.Φi為每個肋片的熱流量,雖無法直接測得,然其存在以下關(guān)系.

(14)

其中Φ可以通過測量直流電源加熱功率計算得到.將(13)式代入(14)式得:

(15)

由于Rfi均相等,通過上式可計算得到Rfi.同樣可通過(13)式計算出各個肋片的散熱量.總散熱量Φ通過各個肋片散失,沿著基板的方向通過基板傳導(dǎo)的依次減小,則不同肋片處通過基板的熱量Φbj可表示成下式:

(16)

則相鄰肋片之間基板的導(dǎo)熱熱阻Rbj為:

Rbj=(t0i-t0i-1)/Φbj.

(17)

當(dāng)加熱功率不變,也就是總熱流量一定時,隨著空氣流速的不斷增加,熱源與基板接觸面溫度ts不斷地減小,總熱阻也隨空氣流速的增加而不斷降低,如圖9所示.對流熱阻隨著空氣流速的增加而不斷降低,其與總熱阻有相同的變化趨勢.由式(2)可知,可以通過增強對流傳熱系數(shù)h或者增加換熱面積A的方式,降低對流傳熱的熱阻,以提高熱沉的散熱性能.總熱阻為對流傳熱熱阻、肋片導(dǎo)熱熱阻和基板導(dǎo)熱熱阻之和,當(dāng)風(fēng)速為11.5 m/s時,對流熱阻約為0.067 ℃/W,而總熱阻為0.131 ℃/W.隨著空氣流速的不斷增大,肋片導(dǎo)熱熱阻和基板導(dǎo)熱熱阻基本不變,然其在總熱阻中所占比重較大,肋片導(dǎo)熱熱阻和基板導(dǎo)熱熱阻的影響著整個熱沉的散熱性能.

圖9 總熱阻、對流熱阻隨空氣流速變化的關(guān)系曲線

該模型與一般的熱沉模型不一樣的地方在于,熱源布置于基板的側(cè)面,而不是基板的正下方,熱量需要通過基板傳導(dǎo)至遠(yuǎn)處的肋片,基板的導(dǎo)熱熱阻影響著整個散熱器的性能.熱量在從熱源到最遠(yuǎn)處的肋片傳遞的過程中是不斷減小的,肋根的溫度也不斷地降低,肋片的換熱量也越來越小,基板導(dǎo)熱熱阻的影響也將不斷的降低.

該熱沉基板一側(cè)有11個肋片,除了肋片到空氣的對流傳熱熱阻,相鄰肋片之際基板的熱阻不容忽視.圖10所示的為基板不同位置處的熱阻,其中標(biāo)號1為靠近熱源處的相鄰肋片間基板的熱阻,標(biāo)號10為距離熱源最遠(yuǎn)端兩個肋片間基板的熱阻.從圖10中可以看出,靠近熱源附近,基板的熱阻相對較大,均大于熱沉材料的導(dǎo)熱熱阻.遠(yuǎn)離熱源處,基板的熱阻近似地與熱沉材料熱阻相等.這說明靠近熱源處基板的熱阻不僅僅是熱流主流方向材料導(dǎo)熱熱阻Rc,還包含因為熱源接觸面積大小與基板大小不一致而導(dǎo)致的垂直熱流主流方向的導(dǎo)熱熱阻.在熱源與基板接觸面附近,溫度梯度大,基板導(dǎo)熱熱阻的存在阻礙了熱量的傳遞.降低熱沉的總熱阻,除了降低對流傳熱熱阻Rf,還需考慮熱源附近基板的導(dǎo)熱熱阻,通過改變基板截面形狀使其與熱源形狀相近,有利于進(jìn)一步提高熱源側(cè)置熱沉的散熱性能.

圖10 不同位置處基板導(dǎo)熱熱阻

4 結(jié)論

通過實驗的方法對一種熱源布置于基板側(cè)面的肋片式熱沉的傳熱性能進(jìn)行了研究,得到了肋片表面的傳熱系數(shù),肋片熱阻(沿肋片方向),肋基熱阻(垂直肋片方向).研究結(jié)果表明,當(dāng)風(fēng)速低時肋表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)與現(xiàn)有文獻(xiàn)報道的關(guān)聯(lián)式預(yù)測的數(shù)值相差不大.當(dāng)風(fēng)速高時,實驗值所得肋表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)比現(xiàn)有文獻(xiàn)報道的關(guān)聯(lián)式預(yù)測的數(shù)值大,誤差超過10%.肋基熱阻的實驗數(shù)據(jù)表明靠近熱源附近的基板處的導(dǎo)熱熱阻比較大,能達(dá)到遠(yuǎn)離熱源處的3倍.這說明熱源布置于基板側(cè)面的熱沉的散熱性能不僅僅取決于對流熱阻,肋片導(dǎo)熱熱阻,還與基板的導(dǎo)熱熱阻有關(guān),尤其是靠近熱源附近的基板導(dǎo)熱熱阻.降低該導(dǎo)熱熱阻,可以有效地降低總熱阻,提高其散熱性能.