平板微熱管陣列散熱器的模擬優(yōu)化研究

鄧育鋒 戰(zhàn)乃巖 張?chǎng)╃?陳 昕

（吉林建筑大學(xué) 吉林長(zhǎng)春）

1 引言

大功率牽引變流器的散熱方式有多種，如強(qiáng)迫風(fēng)冷、水冷、油冷、走行風(fēng)冷等[5]。走形風(fēng)冷是利用機(jī)車行駛時(shí)，周圍空氣相對(duì)機(jī)車的運(yùn)動(dòng)與翅片通過(guò)強(qiáng)制對(duì)流散熱，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單且不需要附加動(dòng)力。因此眾多學(xué)者提出“熱管散熱器+走行風(fēng)冷”方式進(jìn)行牽引變流器的散熱，并對(duì)散熱效果進(jìn)行了數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。Meng Y J等[1]使用專業(yè)熱分析軟件ICEPAK對(duì)已設(shè)計(jì)出的IGBT熱管散熱器進(jìn)行數(shù)值模擬，得出不同工況下的溫度場(chǎng)分布，驗(yàn)證該散熱器散熱效果。同時(shí)對(duì)模擬結(jié)果進(jìn)行分析后優(yōu)化出最優(yōu)結(jié)構(gòu)，使其結(jié)構(gòu)更加簡(jiǎn)單，成本更加經(jīng)濟(jì)。

為提高熱管導(dǎo)熱效率，人們開(kāi)始考慮將多根微型熱管集成起來(lái)。早在20世紀(jì)90年代Peterson G P等[2]提出了“微熱管簇”的概念，針對(duì)矩形截面和三角形截面，在硅片上進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。近年來(lái)，中國(guó)學(xué)者Zhao Y H等[3]提出了完全意義上的平板微熱管陣列，見(jiàn)圖1所示。

圖1 平板微熱管陣列外觀

本文在已經(jīng)設(shè)計(jì)好的平板微熱管陣列散熱器的基礎(chǔ)上，根據(jù)穩(wěn)態(tài)得到的結(jié)果對(duì)平板微熱管陣列散熱器的結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化。使之在保證IGBT模塊低于結(jié)溫的前提下，運(yùn)用更少的平板微熱管陣列，采用更簡(jiǎn)單的平板微熱管散熱器結(jié)構(gòu)，來(lái)減小機(jī)車牽引變流器散熱器體積、重量，節(jié)省材料成本。

2 平板微熱管陣列散熱器優(yōu)化設(shè)計(jì)

2.1 翅片厚度優(yōu)化

通過(guò)綜合考慮翅片成本和工藝性，翅片的厚度從1mm，2mm，3mm，4mm中選擇?？刂瞥崞钠瑪?shù)和面積不變，保持平板微熱管陣列的長(zhǎng)度不變，分別模擬翅片厚度為1mm，2mm，3mm，4mm的工況。網(wǎng)格劃分的方法和邊界條件與上文相同。

顯然本次優(yōu)化的目的是降低熱源最高溫度，使其低于結(jié)溫，因此主要以熱源的最高溫度衡量?jī)?yōu)化效果。圖2為使用不同厚度的翅片散熱，熱源溫度模擬結(jié)果。

根據(jù)模擬結(jié)果，只考慮翅片厚度的前提下，厚度為3mm的翅片的散熱效果最好。

2.2 翅片片數(shù)優(yōu)化

根據(jù)上文的模擬結(jié)果和分析，考慮減少翅片的片數(shù)來(lái)增加翅片間距的方法，并探究是否可以改善散熱情況。由于厚度為1mm和2mm的翅片在翅片間距已經(jīng)大于3mm和4mm的情況下散熱效果仍不如后者，因此在本次模擬時(shí)不予考慮。故本次僅優(yōu)化3mm與4mm厚的翅片，分別把翅片數(shù)量從原來(lái)的20個(gè)變成17個(gè)。

圖2不同厚度翅片對(duì)應(yīng)的熱源溫度

圖3 為翅片數(shù)分別為17片和20片的情況下，不同翅片厚度散熱器熱源的最高溫度對(duì)比情況。

圖3 不同翅片厚度散熱器熱源的最高溫度對(duì)比

從圖3可以看出，減少翅片片數(shù)可以在一定程度上改善散熱情況，不過(guò)翅片數(shù)目過(guò)少也會(huì)使散熱效果變差。因此當(dāng)厚度為4mm翅片的片數(shù)減少至16片時(shí)，熱源溫度上升至近80.9℃，高于17片時(shí)的79.7℃，

3 結(jié)論

通過(guò)對(duì)平板微熱管陣列散熱器的翅片厚度和片數(shù)優(yōu)化，發(fā)現(xiàn)在平板微熱管陣列長(zhǎng)度保持不變的情況下，翅片的厚度與翅片的片數(shù)是一對(duì)矛盾因素。對(duì)比優(yōu)化前后的平板微熱管陣列散熱器機(jī)構(gòu)，熱源最高溫度從93℃降到71℃，降低23.7%，效果理想。

[1]孟玉靜.熱管散熱器冷卻城軌車電氣元件的研究[D].大連：大連交通大學(xué)，2014.

[2]PetersonGP，MallikAK.Transientresponsecharacteristicsofvapordeposited microheatpipearrays[J].JournalofElectronPacking，1995，117（3）：82～87.

[3]趙耀華.平板微熱管陣列及其傳熱特性[J].化工學(xué)報(bào)，2011，62（2）：336～343.