朱曉瓊　胡念蘇　余　萬

(1. 上海威特力熱管散熱器有限公司， 上?！?01318; 2. 武漢大學 動力與機械學院， 武漢　430072; 3. 三峽大學 機械與動力學院， 湖北 宜昌　443002)

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車用熱管散熱器的數(shù)值模擬與設計

朱曉瓊1胡念蘇2余萬3

(1. 上海威特力熱管散熱器有限公司， 上海201318; 2. 武漢大學 動力與機械學院， 武漢430072; 3. 三峽大學 機械與動力學院， 湖北 宜昌443002)

摘要：隨著我國城市軌道交通的快速發(fā)展，解決機車電力電子設備的散熱問題顯得尤為迫切，熱管散熱器因其結構緊湊、散熱能力大、散熱效率高等優(yōu)勢受到了越來越多的關注．本文針對某軌道交通車輛牽引控制系統(tǒng)的某單元的散熱問題進行了研究，根據(jù)設計要求建立了熱管散熱器的數(shù)值模型，得到了其不同工況下的溫度場分布和風道阻力特性，分析了翅片間距、熱管數(shù)、熱管長度等對基板最大溫升和散熱器風阻的影響，設計出了能夠保證功率元件安全可靠工作的熱管散熱器．經(jīng)測試其熱阻及風阻特性與模擬結果的誤差均在5%以內(nèi)，滿足工程設計要求．

關鍵詞：熱管散熱器；熱阻；風阻；溫升

隨著我國城市軌道交通的快速發(fā)展，解決機車電力電子設備的散熱問題顯得尤為迫切．軌道交通車輛牽引控制系統(tǒng)的散熱系統(tǒng)，主要是針對功率元件來設計，原因在于系統(tǒng)中發(fā)熱絕大部分來自于功率開關元件(如IGBT、整流橋等)的損耗功率．功率開關元件本身對溫度比較敏感，溫度的變化會影響元件的開通、關斷過程，影響元件的工作性能．當溫度過度增高時，甚至會導致元件的永久性損壞，帶來極大的安全隱患，直接影響列車運行的安全性和可靠性．隨著電子技術的發(fā)展，電子元器件不斷地向小型化、微小型化和集成化方向發(fā)展，同時設備的組裝密度也在不斷提高，導致單位面積的熱流密度迅速增加，如果不能采用合理的散熱技術，必將嚴重影響電子器件及系統(tǒng)的工作[1]．熱管作為一種新型的高效傳熱元件，由于其熱阻小、重量輕、導熱性能好等優(yōu)點已經(jīng)成為解決高熱流密度發(fā)熱元件冷卻問題的重要途徑[2-3]．

熱管散熱器的性能與很多參數(shù)相關，如冷卻條件、結構尺寸等，如何選擇或設計合理的熱管散熱器是解決機車電力電子設備的散熱問題的關鍵．本文針對某軌道交通車輛牽引控制系統(tǒng)的某單元的散熱問題進行了研究，采用CFD軟件Flotherm建立了熱管散熱器的CFD模型，得到了其不同工況下的溫度場分布和風道阻力特性，分析了翅片間距、熱管數(shù)、熱管長度等對基板最大溫升和散熱器風阻的影響，并進行了實驗驗證，最終設計出了能夠保證功率元件安全可靠工作的熱管散熱器．

1熱管散熱器的設計要求

軌道交通車輛牽引控制系統(tǒng)內(nèi)的散熱系統(tǒng)通常由多單元組成，以適應功率元件的靈活排布、組裝及各單元不同的散熱需求．目前，在軌道交通車輛牽引控制系統(tǒng)的散熱系統(tǒng)中，一般有風冷和水冷散熱兩種方式．有資料表明[4]，強制風冷的散熱效果是自然冷卻的5～10倍，水冷的散熱效果是自然冷卻的120～150倍．雖然水冷具有極高的散熱效率，但通常由于輔助水循環(huán)系統(tǒng)的存在，導致整個系統(tǒng)的結構復雜，成本較高，因此風冷的應用更為廣泛．

軌道交通車輛在運行過程中，功率器件的散熱器的外部冷卻條件一般按走行風考慮．由于車輛速度較快，站點間距小，啟停頻繁，其牽引控制系統(tǒng)的散熱功率較大，散熱器常處于非穩(wěn)態(tài)散熱狀態(tài)，啟動之初和停車制動時車速較小，外部氣流掠過散熱器的風速較小，但此時發(fā)熱量較大，在平穩(wěn)運行時散熱功率較小，外部氣流掠過散熱器的風速較大，因此，散熱器設計時既要考慮自然冷卻工況，又要考慮一定風速條件下的強制風冷工況．

圖1　元器件分布及散熱器示意圖

本文針對其中某豎直安裝使用的單元的散熱問題展開研究，該單元采用自然冷卻和強制風冷結合的熱管散熱系統(tǒng)．該單元的元件排布和散熱部分受限體積如圖1所示，它由9個元器件組成，總功耗為Qh=4 070 W，元器件與散熱器分別裝在基板的兩側，最大外形尺寸為876 mm×501 mm×353 mm(長×寬×高)．為保證元件的安全工作，在環(huán)境溫度Tair=40℃時，散熱器元件安裝面的溫度及散熱器的風阻要求見表1．

表1　散熱器設計參數(shù)

2熱管散熱器CFD模型的建立

2.1熱管散熱器的設計原理

功率元件的工作效率無法達到100%，其工作中的能耗最終以熱耗形式體現(xiàn)出來，熱量自功率元件內(nèi)部通過三種方式(傳導、對流和輻射)傳至外界環(huán)境．如同電流流過電路受到電阻的阻礙一樣，熱流傳遞時也會受到阻礙，稱為熱阻．在分析熱傳遞過程時，常采用比擬電路分析中歐姆定律(R=U/I)的方法，以溫差Δt比擬歐姆定律中的電壓勢差Δu，以熱流量q比擬歐姆定律中的電流i，則有：熱阻Rth=Δt/q，單位為℃/W，Δt為通過所分析的熱傳遞環(huán)節(jié)的溫度差，單位為℃，q為通過的熱流量，單位為W．

若將功率元件的熱流路徑以封裝(殼體)外表面為界劃分為內(nèi)、外兩部分，對應的熱阻分別為內(nèi)熱阻和外熱阻．當元件封裝完成后，其內(nèi)熱阻就基本固定．散熱器熱設計的原理就是通過對散熱器結構和冷卻方式等的合理設計，不斷調(diào)整熱流路徑的外熱阻，從而控制元件的溫升在允許范圍內(nèi)．必要時，還需考慮產(chǎn)品的工藝可行性和經(jīng)濟性．

2.2初始物理模型的建立

由設計參數(shù)可知，本課題需設計的熱管散熱器應滿足如下要求：Tair=40℃時，熱管散熱器熱阻及風阻要求：自然冷卻時熱阻Rth≤0.018 9 ℃/W(即最大溫升≤77℃)；風速v=2 m/s時，熱阻Rth≤0.009 1 ℃/W(即最大溫升≤37℃)，風阻≤15 Pa；風速v=4 m/s時，熱阻Rth≤0.006 6 ℃/W(即最大溫升≤27℃)，風阻≤54 Pa；熱管散熱器體積限制在876 mm×501 mm×353 mm以內(nèi)．

由傳熱方程式：

(1)

式中，q為熱流量(W)；Δt為傳熱溫差(℃)；K為傳熱系數(shù)(W/(m2·℃))．已知q和Δt，代入經(jīng)驗傳熱系數(shù)K，先初步核算出所需散熱面積F，建立如圖2所示的物理模型．

圖2　熱管散熱器的物理模型

2.3熱阻網(wǎng)絡模型的建立

在強制風冷時，輻射換熱量可忽略不計，則其熱阻網(wǎng)絡如圖3所示．

圖3　熱阻網(wǎng)絡模型

2.4強制風冷散熱CFD模型的建立

圖2所示的模型是典型的熱管散熱器模型，在強制風冷系統(tǒng)中整個散熱系統(tǒng)由風機、風道、熱管散熱器和熱源組成，其中的熱管散熱器由熱管、基板、翅片組成．散熱系統(tǒng)的建模過程簡述如下：

1)熱管散熱器：依據(jù)熱管的物理幾何特征并結合對現(xiàn)有熱管產(chǎn)品的性能測試確定其傳熱系數(shù)，最終建立超導熱管的模型；依據(jù)物理幾何特征建立翅片和基板的模型；

2)風機：根據(jù)給定的風速條件，風機采用定流量風機模型；

3)風道：根據(jù)系統(tǒng)實際通流邊界建立模型；并設為絕熱邊界條件，忽略其散熱量；

4)熱源：實際熱源為形狀復雜的功率元件IGBT或二極管，安裝時與基板有固定的接觸面積，建模時將其簡化為分布在基板上的9個面積與之對應的均勻發(fā)熱的面熱源，記為H1，H2，…，H9；并假定所有熱量均由散熱器帶走．

5)求解域的確定：本模型用于強制風冷條件下的熱分析，熱量主要由主流方向上的冷卻風帶走，由風道壁面散失的熱量極小，以散熱器作為求解主體并將求解域擴大到整個風道時，求解域尺寸為：x=1 626 mm，y=363 mm，z=511 mm．

6)網(wǎng)格的劃分：基于有限體積法的思想，利用網(wǎng)格將求解域內(nèi)的體積分成若干微小的控制體，對各控制體建立控制方程并聯(lián)立求解得到溫度場和流場等．對整個求解域合理劃分網(wǎng)格，在邊界處、熱流或氣流變化劇烈處進行局域化并加密網(wǎng)格．如翅片和基板區(qū)域，翅片選用1 mm厚的鋁片，厚度尺寸相對整個求解域較小，對翅片區(qū)進行網(wǎng)格加密以使所有翅片上均能生成網(wǎng)格節(jié)點．基板的模塊安裝面上的溫度分布是設計重點關注的區(qū)域，且基板上熱量集中，對基板區(qū)域加密網(wǎng)格可使溫度場求解更為準確；

7)溫度監(jiān)控點設置：在基板上各熱源中心布置溫度監(jiān)控點，用以監(jiān)控溫度的變化；

8)其他設置：①環(huán)境溫度：設為40℃；②流體種類：設為海拔0 m，1個大氣壓下的空氣；③材料屬性及熱物性設置：如翅片材料設為Al1060，導熱系數(shù)λ=201 W/(m·K)，密度ρ=2.71×103kg/m3，比熱容c= 913 J/(kg·K)等；④求解器屬性：迭代次數(shù)設為500，收斂判斷精度設為0.5℃．

2.5自然冷卻散熱CFD模型的建立

自然冷卻散熱模型與強制風冷模型相比，不同點主要體現(xiàn)在求解域設定和對輻射散熱的考慮．首先在重力方向上，需擴大求解域求解．其次在自然冷卻時，散熱主要依靠自然對流和輻射，輻射的影響不可忽略，建模時需啟用輻射模式，并對各材料設置合適的輻射系數(shù)．

3熱管散熱器的數(shù)值模擬與實驗

采用迭代算法對建立的熱管散熱器模型進行了求解，得到了不同工況下散熱器的溫度場，如圖4所示為強制風冷迎面風速為2 m/s時的散熱器溫度場分布云圖．同時也對各個工況下各個監(jiān)測點的溫升和流道的風阻進行了計算，得出了基板的最大溫升和風阻在不同工況下的變化規(guī)律，從而可以找出熱管散熱器的主要結構參數(shù)對傳熱性能的影響．

圖4　強制風冷迎面風速為2 m/s時散熱器溫度場分布云圖

3.1翅片間距對傳熱性能的影響

圖5給出了翅片間距在7～11 mm時，在不同冷卻條件下基板的最高溫升．從圖中可以看出在自然冷卻條件下，隨著翅片間距的增大，最高溫升先下降后上升．這是因為翅片間距過小時，不利于自然對流，雖然換熱面積充裕，但自然對流換熱系數(shù)較小，因此溫升較高；隨著翅片間距的增大，自然對流效果得到改善，溫升逐漸降低，當降低到一定程度后，翅片間距對自然對流換熱系數(shù)的影響減弱，此時，由于翅片間距加大導致的面積減少起主導作用，面積減少導致溫升升高．

圖5　不同翅片間距下的最高溫升

在強制風冷條件下，隨著翅片間距的增大，最高溫升先下降后上升．在翅片間距較小時，最高溫升的變化不明顯．這是因為該結構下，強制對流時的面積相對已有富余，再減小翅片間距增加換熱面積對溫升的影響較小，此時改變風速影響較大，如圖5可見，風速4 m/s時相對2 m/s溫升有明顯降低．翅片間距增大后，面積減少的影響逐漸體現(xiàn)出來，使得溫升隨之升高．從圖中可以看出，無論是采用自然冷卻還是強制冷卻，翅片間距為9 mm時基板最高溫升均為最?。?/p>

圖6給出了翅片間距在7 mm至11 mm時，在不同冷卻條件下風阻的變化．發(fā)現(xiàn)風阻隨著翅片間距增大時在不斷降低．從圖5和圖6發(fā)現(xiàn)，滿足不同冷卻條件下基板的最高溫升設計要求的翅片間距為7 mm、8 mm、9 mm，但翅片間距為7 mm、8 mm時的風阻超出了設計要求，因此可以認為在本熱管散熱器的設計中，翅片間距采用9 mm比較合適．

圖6　不同翅片間距下的風阻

3.2熱管數(shù)對傳熱性能的影響

圖7給出了在不同冷卻條件下基板的最高溫升隨著熱管數(shù)的變化情況．可以看出熱管數(shù)對最高溫升的影響比較大，隨著熱管數(shù)的增加，最高溫升呈現(xiàn)出先減小后增大的趨勢．這主要是由于熱管數(shù)的增加會使得換熱面積增大，從而使得散熱效果更好．隨著熱管數(shù)的進一步增加，空氣的流動將會受到影響，使對流換熱減弱，導致散熱效果變差．從圖7可看出，熱管數(shù)在150左右擁有最小的溫升．根據(jù)設計要求，3種冷卻條件下最高溫升應分別低于77℃、37℃、27℃．

圖7　不同熱管數(shù)下的最高溫升

圖8給出了在不同冷卻條件下風阻隨著熱管數(shù)的變化情況．可以看出隨著熱管數(shù)的增加，風阻也在不斷上升．這主要是由于熱管數(shù)的增加會使得管間距變小，流動阻力變大．從圖8中可以看出，熱管數(shù)在150左右時強制冷卻的風阻滿足設計要求，分別低于15 Pa和54 Pa．在熱管散熱器中熱管是嵌入基板內(nèi)部的，結合圖1中元件安裝位置的要求，在設計中發(fā)現(xiàn)，采用151根熱管時可較好地避免熱管與模塊安裝空位的幾何干涉．因此，最終選用151根熱管．

圖8　不同熱管數(shù)下的風阻

3.3熱管長度對傳熱性能的影響

考慮到車載系統(tǒng)中各結構輕量化的要求，為了減重和降低風阻，結合仿真云圖，將未發(fā)揮最大傳熱效果即熱管頂端溫度相對較低的一部分熱管的長度進行縮短，圖9和圖10分別給出了基板的最高溫升和風阻隨著熱管長度的不同的變化規(guī)律．從圖中可以看出，最高溫升隨著熱管長度的縮短會略有上升，這是由于熱管長度縮短會導致?lián)Q熱面積減小，散熱效果削弱，與此同時風阻隨著熱管長度的縮短會逐漸減?。?/p>

由圖9可見，當熱管長度縮短至150 mm和120 mm，各工況下均仍能滿足最高溫升要求，但當縮短至90 mm時，基板最高溫升在強制冷卻工況下分別超過37℃和27℃．

由圖10可見，當熱管長度在150 mm時，風阻超出設計要求，當熱管長度縮短至120 mm和90 mm時，風阻滿足要求．根據(jù)最高溫升和風阻的設計要求，最終縮短的熱管長度選用120 mm．

圖9　不同熱管長度下的最高溫升

圖10　不同熱管長度下的風阻

3.4熱管散熱器的實驗

根據(jù)CFD模擬結果并結合實際制造工藝，制作了熱管散熱器樣品，如圖11所示，并按照設計工況對該樣品實施了熱阻和風阻的模擬測試．

圖11　熱管散熱器樣品

項目溫升/℃1 2 3風阻/Pa1 2 3模擬結果66.5036.8025.38-1754實驗結果66.2536.1324.85-1652相對誤差/%0.381.822.09-5.883.70

將數(shù)值模擬結果與實測結果進行比較，結果如表2所示．可見在自然冷卻以及風速為2 m/s和4 m/s強制冷卻條件下，基板的最大溫升和風阻實測結果與模擬結果相對誤差均在5%以內(nèi)，同時也符合工程設計要求．

4結論

1)采用CFD軟件進行軌道交通車輛牽引控制系統(tǒng)的散熱系統(tǒng)的設計，可以較為準確地模擬散熱器產(chǎn)品的溫度場和阻力特性，有助于確定熱管散熱器的結構．

2)對影響熱管散熱器傳熱性能的主要幾何因素進行了分析，發(fā)現(xiàn)翅片間距為9 mm，熱管數(shù)為151根，熱管長度為120 mm時，散熱器擁有最佳的散熱性能．

3)本文中所開發(fā)的適用于軌道交通車輛牽引控制系統(tǒng)的熱管散熱器產(chǎn)品，其散熱性能優(yōu)越：在自然冷卻工況下使用時，散熱能力達4 070 W，熱阻<0.016 3℃/W；該產(chǎn)品經(jīng)測試其熱阻及風阻特性與模擬結果的誤差均在5%以內(nèi)，滿足工程設計要求，不僅為產(chǎn)品最終進入市場奠定了良好的基礎，也為今后設計此類大功率強制風冷的熱管散熱器產(chǎn)品積累了成功的經(jīng)驗．

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[責任編輯王康平]

DOI：10.13393/j.cnki.issn.1672-948X.2016.03.020

收稿日期：2015-11-17

通信作者：朱曉瓊(1984-)，女，碩士研究生，工程師，主要從事熱管換熱技術研究．E-mail：82023128@qq.com

中圖分類號：TK172.4

文獻標識碼：A

文章編號：1672-948X(2016)03-0090-05

Numerical Simulation and Design of Vehicle Heat Pipe Radiator

Zhu Xiaoqiong1Hu Niansu2Yu Wan3

(1. Shanghai WTL Heat Pipe Technology Co., Ltd., Shanghai 201318, China； 2. School of Power and Mechanical Engineering, Wuhan Univ., Wuhan 430072, China； 3. College of Mechanical & Power Engineering, China Three Gorges Univ., Yichang 443002, China)

AbstractWith the rapid development of rail transit vehicle in China, the cooling of power electronic devices of locomotive is becoming particularly urgent. As heat-pipe radiator has the advantages of remarkable thermal performance, high-efficiency and compact size, it has attracted more and more attentions. In this paper, the unit heat transfer of traction control system in rail transit vehicle is discussed. The numerical model of heat pipe radiator is constructed based on designed requirement; and then the temperature distribution and flow resistance are obtained. The influence of heat pipe distance, number, length on the maximum temperature rise and flow resistance are discussed. Finally, a suitable heat pipe radiator is designed; and there is only 5% difference of thermal resistance and flow resistance between experiment test and numerical simulation; it is an acceptable engineering tolerance.

Keywordsheat pipe radiator；thermal resistance；flow resistance；temperature rise