電子模塊散熱器基座厚度對(duì)換熱性能的影響分析

張輝，趙萬(wàn)東，高旭

（珠海格力電器股份有限公司，廣東珠海 519070）

電子模塊散熱器基座厚度對(duì)換熱性能的影響分析

張輝，趙萬(wàn)東*，高旭

（珠海格力電器股份有限公司，廣東珠海 519070）

本文應(yīng)用Fluent對(duì)不同基座厚度的空調(diào)控制器電子模塊散熱器進(jìn)行換熱性能仿真分析。計(jì)算結(jié)果表明，在散熱器總高不變的前提下，基座厚度為5 mm時(shí)，散熱器換熱性能最佳。通過(guò)功耗元件溫升實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步驗(yàn)證后表明，仿真所得結(jié)論與實(shí)驗(yàn)結(jié)果基本一致。

散熱器；換熱性能；數(shù)值模擬；溫升實(shí)驗(yàn)

0 引言

變頻空調(diào)運(yùn)行時(shí)，控制器中的整流橋、二極管、絕緣柵雙極晶體管（Insulated Gate Bipolar Transistor，IGBT）及智能功率模塊（Intelligent Power Module，IPM）均會(huì)產(chǎn)生較大熱量，導(dǎo)致元器件溫度急劇上升，若熱量無(wú)法及時(shí)排出，電子元器件的可靠性會(huì)急劇下降[1]。有研究指出，單個(gè)電子元器件的溫度每升高10 ℃，其失效率將增加1倍[2]，致使空調(diào)性能降低，嚴(yán)重時(shí)將導(dǎo)致空調(diào)停機(jī)。因此，功耗元器件的散熱器設(shè)計(jì)顯得尤為重要。

空調(diào)控制器電子模塊用散熱器形式一般為肋片式散熱器，前人對(duì)該類型散熱器的設(shè)計(jì)作出了較為廣泛的研究，國(guó)外方面，LEUNG等[3]運(yùn)用實(shí)驗(yàn)測(cè)量的方法得出了散熱器翅片間的最佳間距。ANDREW[4]對(duì)自然對(duì)流散熱器的熱性能進(jìn)行分析，并仿真計(jì)算了散熱器處于熱穩(wěn)態(tài)時(shí)的相關(guān)熱性能參數(shù)，對(duì)散熱器直肋尺寸進(jìn)行了優(yōu)化。POULIKAKOS等[5]在強(qiáng)制對(duì)流前提下，以熵產(chǎn)率最低為目標(biāo)，確定了最佳散熱器結(jié)構(gòu)尺寸。國(guó)內(nèi)方面，吳俊鴻等通過(guò)分析變頻空調(diào)控制器的智能功率模塊溫度過(guò)熱導(dǎo)致壓縮機(jī)頻率受到限制的實(shí)例出發(fā)，提出了通過(guò)合理設(shè)計(jì)保護(hù)參數(shù)、散熱器尺寸和形狀合理設(shè)計(jì)、板發(fā)熱元器件位置合理設(shè)計(jì)、采用散熱性能良好的熱傳導(dǎo)材料等有效手段降低或解決變頻控制器發(fā)熱元器件過(guò)熱問(wèn)題[6]。謝少英等[7]以熱阻最低為優(yōu)化目標(biāo)采用復(fù)合形優(yōu)化算法對(duì)散熱器各個(gè)幾何參數(shù)對(duì)其熱特性的影響進(jìn)行了分析，并用實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了方法的準(zhǔn)確性。韓寧等[8]采用數(shù)值方法對(duì)型材散射器的三維流場(chǎng)及溫度場(chǎng)進(jìn)行了分析計(jì)算，定量分析了結(jié)構(gòu)因素對(duì)散熱器熱阻的影響。李玉寶等[9]考察了矩形肋片散熱器幾何參數(shù)對(duì)散熱效果的影響規(guī)律，認(rèn)為通過(guò)調(diào)整合適的肋片高度、長(zhǎng)度和間距可有效降低散熱器的熱阻。高一博[10]結(jié)合數(shù)值模擬，在自然對(duì)流工況下，運(yùn)用最少材料法、最小空間體積法、最小熱阻法和層次分析法優(yōu)化直肋片散熱器尺寸，與實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比驗(yàn)證后表明肋片間距與肋片高度的比值對(duì)散熱器的換熱性能具有重要影 。

為進(jìn)一步優(yōu)化空調(diào)室外機(jī)控制器電子模塊散熱器的換熱性能，仿真分析了肋片散熱器基座厚度對(duì)其換熱性能的影響，并用實(shí)驗(yàn)測(cè)試了各基座厚度下整流橋、二極管、IGBT及IPM的溫升效果，結(jié)果表明，仿真所得結(jié)論與實(shí)驗(yàn)結(jié)果較為吻合，在基座厚度為5 mm時(shí)，元器件表面溫度降低，散熱器性能得到進(jìn)一步提升。

1 數(shù)學(xué)模型構(gòu)建

傳統(tǒng)的制冷空調(diào)產(chǎn)品設(shè)計(jì)中主要依賴樣機(jī)的反復(fù)制作與調(diào)試，既增加了開(kāi)發(fā)費(fèi)用，又談不上產(chǎn)品的新性能優(yōu)化，不利于節(jié)能節(jié)材。通過(guò)計(jì)算機(jī)仿真與優(yōu)化等技術(shù)的應(yīng)用，首先在計(jì)算機(jī)上面實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的優(yōu)化設(shè)計(jì)，可以有效地提高優(yōu)化設(shè)計(jì)的效率，是制冷空調(diào)產(chǎn)品設(shè)計(jì)方法現(xiàn)代化的發(fā)展方向[11]。

1.1 控制方程

對(duì)于不可壓縮、常物性、無(wú)內(nèi)熱源的流動(dòng)，對(duì)流傳熱的完整微分方程組可描述如下[12-13]。

質(zhì)量守恒方程，又稱連續(xù)性方程：

動(dòng)量守恒方程：

能量守恒方程：

在固體區(qū)域，F(xiàn)luent中的能量輸運(yùn)方程如式(6)中所示：

式中：

ρ——固體密度，kg/m3；

h——顯焓，K；

k——熱傳導(dǎo)系數(shù)，W/(m·K)；

T——固體溫度，K；

Shh— —體熱源產(chǎn)生的能量，J。

式(7)中 Tref的取值取決于求解器的選取，當(dāng)選用壓力基求解器時(shí)，其值為298.15 K，而選用密度基求解器時(shí)，其值為0 K。

1.2 計(jì)算模型簡(jiǎn)化

圖1(a)中所示為散熱器在電氣盒中的位置，氣流由圖中左側(cè)通過(guò)進(jìn)風(fēng)柵條進(jìn)入散熱器盒蓋，通過(guò)散熱器表面后帶走熱量，從盒蓋后方流出，圖1(b)為散熱器模型，屬于直肋型擠塑散熱器，肋片與基座總高為40 mm，基座高度為4mm，肋片數(shù)16片。

圖1 初始模型

圖2為整流橋、二極管、IGBT及IPM在散熱器底部的布置位置示意圖。

由于電器盒結(jié)構(gòu)復(fù)雜，殼體上布滿加強(qiáng)筋及凹槽等復(fù)雜細(xì)小的結(jié)構(gòu)，無(wú)疑會(huì)增加網(wǎng)格數(shù)量，且難以保證網(wǎng)格質(zhì)量。因此，僅截取包裹散熱器的盒蓋部分作為本次仿真的計(jì)算域，并忽略空氣入口處的格柵結(jié)構(gòu)，簡(jiǎn)化后計(jì)算模型如圖3所示。

圖2 功耗元器件布置位置

圖3 模型簡(jiǎn)化

1.3 邊界條件及網(wǎng)格方案

由于存在溫度傳遞，因此必須開(kāi)啟能量方程，流動(dòng)模型選取通過(guò)雷諾數(shù) Re計(jì)算進(jìn)行判斷，使用熱線風(fēng)速儀對(duì)散熱器入口處風(fēng)速進(jìn)行測(cè)量，整理后取平均值為1.9 m/s，由雷諾數(shù)計(jì)算公式[14]可得入口處Re=9,575.4，屬于湍流范疇，因此，選取k-ε雙方程湍流模型進(jìn)行流動(dòng)計(jì)算。在穩(wěn)態(tài)工況下分析計(jì)算研究對(duì)象的溫度場(chǎng)，因此所有微分方程中忽略時(shí)間項(xiàng)的影響[15]。

為模擬風(fēng)機(jī)的抽吸作用，入口選取自由流入口邊界，入口溫度為 43 ℃，出口為負(fù)壓出口，負(fù)壓值為-10 Pa，散熱器與空氣接觸表面采用耦合壁面，其余壁面為絕熱壁面，為對(duì)比散熱器的換熱量及傳熱系數(shù)，將各功耗元器件做定壁溫處理，各元器件溫度參數(shù)采用實(shí)測(cè)值，保證了熱源一致性，邊界條件具體設(shè)置如表1中所示。

表1 數(shù)學(xué)模型及邊界條件設(shè)置

圖4為散熱器方案調(diào)整示意圖，保持散熱器總高H不變，調(diào)整基座厚度d的值分別為4 mm、5 mm、6 mm及7 mm，共計(jì)4個(gè)計(jì)算方案，考察換熱量及換熱系數(shù)的變化情況。

由于散熱器肋片與基座間存在圓弧過(guò)渡段，容易引起網(wǎng)格畸變，因此采用四面體網(wǎng)格對(duì)空間進(jìn)行離散，三角形網(wǎng)格對(duì)面進(jìn)行劃分，并在肋片表面拉升出4層棱柱體網(wǎng)格，最終生成網(wǎng)格總數(shù)達(dá)572萬(wàn)，節(jié)點(diǎn)數(shù)92萬(wàn)以上，截面網(wǎng)格如圖5中所示。

圖4 方案調(diào)整示意圖

圖5 肋片表面邊界層網(wǎng)格

2 仿真結(jié)果分析

2.1 溫度云圖

圖6為不同基座厚度下散熱器表面的溫度云圖，隨著基座厚度的增加，高溫區(qū)域在肋片表面的分布面積越來(lái)越小，基座局部高溫區(qū)域縮小，散熱器表面最高溫度呈下降趨勢(shì)。

各方案中，散熱器與各功耗元器件的接觸熱阻均相同，但基座厚度越厚，導(dǎo)熱面積熱阻越大，溫度在散熱器上的傳導(dǎo)阻力越大，因此出現(xiàn)了基座越厚、高溫區(qū)域面積越小的現(xiàn)象。但是換熱器整體的換熱性能優(yōu)劣不能僅 通過(guò)表面溫度及基座熱阻衡量，還需綜合考慮散熱器結(jié)構(gòu)不同時(shí)肋片在空氣側(cè)換熱面積的影響。理論上，在總高一定的前提下，存在一個(gè)最優(yōu)的基座厚度及肋片高度，使得散熱器換熱效果最佳。

圖6 不同基座厚度工況下的散熱器表面溫度云圖

2.2 換熱性能對(duì)比

讀取各方案散熱器表面換熱量及表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)數(shù)值如表2中所示。從表中可知，基座厚度為5 mm時(shí)，散熱器的換熱量最高，表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)最大。

表2 換熱性能對(duì)比

圖7為換熱量隨基座厚度變化的趨勢(shì)曲線，當(dāng)基座厚度增加時(shí)，換熱量緩慢上升，當(dāng)基座厚度大于5 mm后，換熱量衰減速率較大。

這是由于在散熱過(guò)程中，基座厚度過(guò)厚，則元器件產(chǎn)生的熱量積聚在基座處，難以通過(guò)肋片將熱量耗散到空氣中，導(dǎo)致整體換熱量下降，基座厚度過(guò)薄時(shí)，元器件熱量傳導(dǎo)不充分，未能有效利用到每片肋片的換熱面積，同樣會(huì)導(dǎo)致?lián)Q熱量的下降。

圖7 換熱量隨基座厚 變化曲線

3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

3.1 實(shí)驗(yàn)方案

將外機(jī)與室內(nèi)機(jī)相連，室內(nèi)環(huán)溫 32℃，室內(nèi)機(jī)送風(fēng)溫度23 ℃，室外環(huán)溫43 ℃，實(shí)驗(yàn)方案如表3中所示，方案1為基座厚度4 mm且肋片數(shù)為15片，方案2至方案5分別為基座厚度4 mm至7 mm的散熱器，散熱器總高不變，肋片數(shù)不變。

實(shí)驗(yàn)測(cè)試過(guò)程中，各功耗元器件溫度波動(dòng)穩(wěn)定后再記錄溫度數(shù)據(jù)，記錄完成后停機(jī)，待各元器件溫度下降至常溫后，再進(jìn)行下一方案的測(cè)試。

表3 實(shí)驗(yàn)方案

3.2 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

實(shí)驗(yàn)測(cè)試數(shù)據(jù)如表4中所示，由實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，相比于肋片數(shù)量而言，基座厚度對(duì)散熱效果影響不大，方案2中，肋片數(shù)減少一片，使得整流橋及二極管溫度大幅上升。方案3中，基座厚度為5 mm時(shí)，各元器件溫度均降至 90 ℃以下，散熱效果較佳，均溫性較好。基座加厚至7 mm厚后，IPM溫度降幅較大，整流橋溫度仍在90 ℃以上，且從成本上考慮，無(wú)需采用高基板厚度的散熱器。

表4 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

以方案1中各功耗元器件溫度總和為基準(zhǔn)，分別計(jì)算方案2至5的元器件總溫，與方案1進(jìn)行對(duì)比，得到溫降幅度如表5中所示，方案3與方案5的總溫降均可達(dá)到6%，但方案3溫降幅度更大，成本更低。

表5 溫降效果對(duì)比

圖8為基座厚度增加時(shí)，各元器件的溫度變化折線圖。由圖中可知，整流橋及二極管溫度呈現(xiàn)先減小再大幅增加，之后緩慢降低的趨勢(shì)，IGBT與IPM則在基座厚度增加時(shí)，溫度持續(xù)降低，說(shuō)明基座厚度增加后，對(duì)元器件產(chǎn)生的熱量進(jìn)行了儲(chǔ)存，但基座厚度增加，溫度下降速度放緩，效率過(guò)低，成本升高。

圖8 元器件溫度隨基座厚度變化圖

實(shí)驗(yàn)所得結(jié)果與仿真結(jié)果基本一致，區(qū)別在于當(dāng)基座厚度增加至7 mm時(shí)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示元器件溫升情況有一定改善，主要原因是在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，為方便方案間的更替，人為剪除了散熱器盒蓋，導(dǎo)致散熱器一部分基座也裸露在空氣中，換熱得到加強(qiáng)，而仿真模型中，空氣計(jì)算域僅包含肋片區(qū)域及一部分基座區(qū)域，造成了實(shí)驗(yàn)與仿真的偏差，但仿真與實(shí)驗(yàn)結(jié)果均表明，基座厚度為5 mm時(shí)散熱器換熱性能最佳。

4 結(jié)論

1）仿真及實(shí)驗(yàn)結(jié)果均表明，基座厚度為5 mm時(shí)，所述外機(jī)控制器電子模塊散熱器換熱性能最佳；

2）基座厚度增加至5 mm時(shí)，整流橋、二極管、IGBT及IPM的溫升均得到改善，當(dāng)基座厚度進(jìn)一步增加時(shí)，整流橋與二極管溫度顯著上升后緩慢下降，IGBT及IPM的溫度則呈現(xiàn)單調(diào)下降的趨勢(shì)，但基座加厚使得換熱效率降低，成本大幅升高；

3）肋片數(shù)對(duì)散熱器換熱性能的影響極大，后續(xù)設(shè)計(jì)散熱器時(shí)，可適當(dāng)增加肋片數(shù)，肋片高度及寬度應(yīng)盡量設(shè)計(jì)到結(jié)構(gòu)允許的最大值；

4）本次仿真及實(shí)驗(yàn)間存在一定差異，后續(xù)仿真方面，可將功耗元器件邊界條件由定壁溫替換為生熱率，更加貼近實(shí)際情況，實(shí)驗(yàn)過(guò)程中添加散熱器盒蓋，以獲得更精確的實(shí)驗(yàn)值。

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Analysis on Influence of Chassis Thickness on Heat Transfer Performance of Electronic Module Radiator

ZHANG Hui, ZHAO Wandong*, GAO Xu
(Gree Electric Appliances, Inc. of Zhuhai, Zhuhai, Guangdong 519070, China)

The heat transfer performance of electronic module radiator of air-condition controller with different foundation thicknesses is simulated with Fluent. Result shows that, as the height is fixed, the radiator has best heat transfer performance at foundation thickness of 5 millimeter. Through temperature rise experiment of power consumption components, the experimental results are basically proved to be the same with the simulation results.

Radiator; Heat transfer performance; Numerical simulation; Temperature rise experiment

10.3969/j.issn.2095-4468.2017.04.201

*趙萬(wàn)東（1990-），男，助理工程師，碩士。研究方向：傳熱傳質(zhì)。聯(lián)系地址：珠海前山金雞西路，郵編：519070。聯(lián)系電話：0756-8522066。E-mail：zhaowandong115@163.com。