肖 慶 李金偉 張敏雄

（珠海格力電器股份有限公司 珠海 519070）

前言

隨著電力電子器件的尺寸越來越小，其頻率和集成度不斷提高，使得電子元器件單位面積的功率越來越高，因此過熱問題變得越來越突出[1]。試驗(yàn)與研究表明，電子元器件的性能對(duì)溫度十分敏感，電子元器件的失效率隨溫度的升高呈指數(shù)增長(zhǎng)趨勢(shì)，溫度每升高10 ℃，系統(tǒng)可靠性將降低50 %，據(jù)統(tǒng)計(jì)，超過55 %的電子元器件及電子設(shè)備的失效是由于溫度過高引起的[2,3]。

家用空調(diào)器室外機(jī)運(yùn)行時(shí)，控制器中的智能功率模塊（intelligent power module，IPM），絕緣柵雙極晶體管（insulated gate bipolar transistor，IGBT）、二極管（Diode）與整流橋（Rectifier bridge）4個(gè)元器件會(huì)產(chǎn)生很大的熱量，若熱量未能及時(shí)排出，元器件溫度會(huì)不斷上升，導(dǎo)致壓縮機(jī)限頻乃至停機(jī)，致使空調(diào)性能降低?，F(xiàn)有空調(diào)上的散熱器多考慮通用化，且散熱器的設(shè)計(jì)多以實(shí)驗(yàn)為主。新開發(fā)散熱器需要有一些文件指導(dǎo)，結(jié)合整機(jī)工況進(jìn)行仿真分析，如散熱器擺放的位置決定著流經(jīng)散熱器肋片的空氣流場(chǎng)，而流場(chǎng)又決定著散熱器對(duì)流換熱的強(qiáng)度因此針對(duì)散熱器散熱的關(guān)鍵影響。因此，系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法及散熱前沿技術(shù)的研究是非常有必要的。

1 數(shù)學(xué)模型建立

通過散熱設(shè)計(jì)及仿真，模擬電子設(shè)備內(nèi)部熱量的傳導(dǎo)，是電子設(shè)備產(chǎn)品開發(fā)常見的開發(fā)流程。如圖1所示，一個(gè)完整的散熱器優(yōu)化設(shè)計(jì)過程應(yīng)該包括理論計(jì)算分析、仿真優(yōu)化分析、實(shí)驗(yàn)測(cè)試驗(yàn)證過程。

圖1 散熱設(shè)計(jì)流程

熱設(shè)計(jì)常用的方法，一是選用耐高溫的元器件, 二是采用熱控制的方法。選用耐高溫的元器件，成本迅速提高, 一般的工業(yè)企業(yè)并不適用。熱控制方法的核心是對(duì)熱敏器件采用熱保護(hù)，并合理設(shè)計(jì)某些元器件的熱流通路。如元器件安裝在低溫區(qū)，合理選擇熱源元器件的熱流通路，或增加強(qiáng)制散熱等保護(hù)措施。

此外，采用合理的安裝技術(shù)、優(yōu)化元器件布局、減少設(shè)備的發(fā)熱量等也是熱設(shè)計(jì)常用的方法。在設(shè)計(jì)中，通常是幾種設(shè)計(jì)方法同時(shí)進(jìn)行, 從而達(dá)到最優(yōu)的熱設(shè)計(jì)效果[4]。

散熱技術(shù)是采取有效措施來散發(fā)或傳導(dǎo)電子設(shè)備熱量的技術(shù)。熱量一般通過導(dǎo)熱、對(duì)流和熱輻射三種方式進(jìn)行傳遞[1,5]。

導(dǎo)熱是指物體各部分之間不發(fā)生相對(duì)位移依靠分子、原子和自由電子等微觀粒子的熱運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生的熱量傳遞過程。導(dǎo)熱過程中傳遞的熱量按照Fourier導(dǎo)熱定律計(jì)算：

式中：

Φ—熱量，W；

λ—導(dǎo)熱系數(shù)，W/（m·K）；

A—沿傳熱路徑的橫截面積，m2；

ΔT—熱源與低溫區(qū)的溫度差，℃；

d—傳熱距離，m。

對(duì)流是指由于流體的宏觀運(yùn)動(dòng)，從而流體各部分之間發(fā)生相對(duì)位移、冷熱流體相互摻混所引起的熱量傳遞過程。它是依靠流體質(zhì)點(diǎn)的移動(dòng)進(jìn)行熱量傳遞的，與流體的物性、流速以及換熱表面的形狀、大小、布置情況密切相關(guān)。對(duì)流換熱過程傳遞的熱量按照牛頓冷卻定律計(jì)算：

式中：

Φ—熱量，W；

h—表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)，W/（m2·K）；

A—固體壁面換熱面積，m2；

ΔT—流體與壁面的溫差，℃。

熱輻射是物體通過電磁波來傳遞能量的方式，是一種非接觸式傳熱，在真空中也能進(jìn)行。輻射換熱指的是物體之間互相輻射和吸收熱能的綜合效果，可根據(jù)斯蒂芬—玻爾茲曼定律來計(jì)算：

式中：

ε—物體的發(fā)射率，即表面黑度；

σ—斯蒂芬-玻爾茲曼常數(shù)，5.67×10-8W/ （m2·K4）；

A—輻射表面積，m2；

T—物體表面熱力學(xué)溫度，K。

對(duì)流換熱無量綱準(zhǔn)則數(shù)：格拉曉夫準(zhǔn)則數(shù)，表征浮生力和粘滯力的相對(duì)大小。

式中：

g—重力加速度；

Δt—流體和物體壁面溫差；

α—流體容積膨脹系數(shù)；

l—物體幾何定型尺寸；

v—流體運(yùn)動(dòng)粘度。

普朗特準(zhǔn)則數(shù)，表征流體動(dòng)量傳遞能力與熱量傳遞能力的相對(duì)大小。

式中：

a—流體熱擴(kuò)散率；

v—流體運(yùn)動(dòng)粘度。

雷諾數(shù)，表征流體流動(dòng)時(shí)慣性力與粘滯力的相對(duì)大小。

式中：

u—流體流速；

l—物體幾何定型尺寸；

v—流體運(yùn)動(dòng)粘度。

努謝爾準(zhǔn)則數(shù)，表征了物體表面法向無量綱過余溫度梯度大小，為待準(zhǔn)則數(shù)。

式中：

h—對(duì)流換熱系數(shù)；

l—物體幾何定型尺寸；

λ—流體熱導(dǎo)率。

仿真分析中的物理模型主要遵守3 大基本控制方程，包括能量守恒方程、質(zhì)量守恒方程和動(dòng)量守恒方程，方程分別如下：

1）能量守恒方程[6]：

2）質(zhì)量守恒方程[7]：

3）動(dòng)量守恒方程[8]：

式 （8）至式 （12）中：

ρ—密度；

t—時(shí)間；

p—流體微元體上的壓力；

τxx、τxy、τxa—因分子粘性作用而產(chǎn)生的作用微元體表面上的粘性應(yīng)力τ→的分量；

Fx、Fy、Fz—微元體上的體力，若體力只有重力且Z軸豎直向上，則Fx=Fy=0，F(xiàn)z=-ρg；

Cp—比熱容；

T—溫度；

k—流體的傳熱系數(shù)；

ST—流體的內(nèi)熱源及由于粘性作用流體機(jī)械能轉(zhuǎn)換為熱能的部分，ST簡(jiǎn)稱為粘性耗散項(xiàng)。

2 仿真研究與分析

2.1 散熱器參數(shù)與元器件功率估算

散熱器散熱過程主要為導(dǎo)熱與對(duì)流換熱，目前散熱器常用材料為6063-T5鋁型材。芯片散熱的熱阻分析過程主要是芯片與封裝外殼的熱阻Rjc、封裝外殼與散熱器之間的接觸熱阻Rcs、散熱器自身的導(dǎo)熱熱阻Rs、散熱器與空氣的換熱熱阻Rsa，總熱阻為R=Rjc+Rcs+Rs+Rsa。芯片封裝與散熱器基板之間涂有界面導(dǎo)熱材料，一般為導(dǎo)熱硅脂，為了隔絕空氣層，減小接觸熱阻。由對(duì)流傳熱牛頓冷卻公式Q=h·A·ΔT可知，增加換熱溫差、增大換熱面積、提高對(duì)流換熱系數(shù)可以提升散熱器性能。

如圖2所示，影響散熱器性能的主要參數(shù)有：散熱器的寬度（W1）、基板寬度（W）、肋片長(zhǎng)（L）、肋片高（Hf）、基板厚度（B）、肋片厚度（t）、肋片數(shù)量（N），邊緣長(zhǎng)度L1（L1=W1-W）述的診本文仿真計(jì)算散熱器及結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1所示。

表1 仿真計(jì)算散熱器及結(jié)構(gòu)參數(shù)（單位：mm）

圖2 散熱器結(jié)構(gòu)參數(shù)

通?？梢圆捎迷骷畲筘?fù)荷來進(jìn)行估算，以整機(jī)輸入功率為依據(jù)，對(duì)于整機(jī)的電源輸入功率而言，功率因數(shù)校正電路（PFC）電路的效率約為（96～97）%，除去電感外，整流橋、二極管和IGBT的共同消耗可以按1.5 %評(píng)估。IPM的逆變效率約是96 %左右，IPM按2 %的消耗來估算。經(jīng)此核算，IPM熱耗為7.92 W，IGBT熱耗為10.704 W，二極管熱耗為3.204 W，整流橋熱耗為14.152 W。這樣的估算，可以賦予仿真一個(gè)初始值，但是整機(jī)功率在不同工況、不同系統(tǒng)、不同條件下變化不確定或獲得不容易，所以無法確定最惡劣情況或漏算最惡劣工況，仿真需要基于此初始值進(jìn)行修正，確定仿真參數(shù)。

2.2 仿真模型與邊界條件

本文使用ANSYS中的Fluent模塊進(jìn)行仿真計(jì)算，優(yōu)化得到滿足元器件散熱需求，又滿足散熱器減重的模型后，再進(jìn)行相關(guān)實(shí)驗(yàn)測(cè)試。

Fluent軟件可以較好的模擬流體流動(dòng)、熱傳導(dǎo)以及其他物理化學(xué)耦合過程等計(jì)算。該研究基于Fluent進(jìn)行三維數(shù)值模擬。在求解設(shè)置中，采用有限容積法對(duì)控制方程進(jìn)行離散化處理，使用k-e運(yùn)用coupled算法對(duì)壓力和速度方程進(jìn)行耦合處理，采用二階迎風(fēng)格式對(duì)動(dòng)量方程的對(duì)流項(xiàng)和擴(kuò)散項(xiàng)進(jìn)行空間離散化，數(shù)值計(jì)算的求解精度為10-6。

本文使用使用CREO三維軟件建立模型，再用SCDM軟件簡(jiǎn)化處理，將簡(jiǎn)化后的模型導(dǎo)入Fluent meshing軟件進(jìn)行網(wǎng)格劃分。之后在Fluent中導(dǎo)入網(wǎng)格文件，選擇相應(yīng)的求解模型，并設(shè)置求解器參數(shù)、邊界條件及初始條件；最終迭代計(jì)算獲得結(jié)果并進(jìn)行分析。為驗(yàn)證對(duì)比進(jìn)出口勻速的簡(jiǎn)化設(shè)置與風(fēng)機(jī)旋轉(zhuǎn)氣流的影響，本文建立兩種仿真模型，分別為仿真1（圖3（a））與仿真2（圖3（b））。數(shù)學(xué)模型按照空調(diào)外機(jī)實(shí)際模型建立，設(shè)置壓力進(jìn)口、壓力出口、絕熱壁面與耦合壁面四種邊界條件。其中，散熱器與空氣接觸壁面、芯片與散熱器接觸壁面、芯片與空氣接觸壁面采用coupled交界面耦合設(shè)置。仿真2與仿真1相比，除空氣流域中增加旋轉(zhuǎn)風(fēng)葉區(qū)域外，其他均相同，旋轉(zhuǎn)風(fēng)葉區(qū)域與空氣流域交界面進(jìn)行耦合處理，并設(shè)置frame motion旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系。

如圖3至圖4所示，對(duì)模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，采用poly多面體網(wǎng)格，并設(shè)置散熱器與芯片處膨脹層，仿真1網(wǎng)格單元數(shù)約220萬，仿真2網(wǎng)格單元數(shù)約310萬，最大扭曲度skewness均為0.6以下。

圖3 仿真模型

圖4 網(wǎng)格劃分

2.3 仿真結(jié)果分析

仿真1與仿真2中，各芯片source terms值設(shè)置相同，仿真1中outlet設(shè)置壓力出口，流量0.685 kg/s，仿真2設(shè)置風(fēng)葉轉(zhuǎn)速270 rpm，計(jì)算得出口流量0.669 kg/s，空氣計(jì)算溫度均設(shè)置56 ℃。

仿真結(jié)果如表2所示。

表2 仿真結(jié)果—各元器件溫度

1）仿真結(jié)果各元器件溫度如圖5所示，散熱器及各元器件溫度分布云圖如圖6～7所示。由于元器件熱功耗估算無法做到精確，因此根據(jù)下文實(shí)驗(yàn)結(jié)果，以case-1散熱器為計(jì)算基準(zhǔn)，對(duì)仿真1中各元器件熱耗進(jìn)行修正，使其元器件溫度誤差小于0.5 %，之后各元器件熱耗設(shè)為定值，只改變散熱器參數(shù)，以單一變量為原則，進(jìn)行仿真計(jì)算。

圖5 仿真結(jié)果—各元器件溫度

圖6 Case-1仿真結(jié)果對(duì)比

圖7 Case-2仿真結(jié)果對(duì)比

根據(jù)仿真結(jié)果

使用case-1散熱器、仿真1計(jì)算時(shí)，各元器件平均溫度為77.18 ℃；

使用case-1散熱器、仿真2計(jì)算時(shí)，各元器件平均溫度為70.85 ℃；

使用case-2散熱器、仿真1計(jì)算時(shí)，各元器件平均溫度為76.87 ℃；

使用case-2散熱器、仿真2計(jì)算時(shí)，各元器件平均溫度為71.90 ℃；

使用case-1散熱器計(jì)算時(shí)，仿真2中元器件平均溫度比仿真1中元器件平均溫度低6.33 ℃；使用case-2散熱器計(jì)算時(shí)，仿真2中元器件平均溫度比仿真1中元器件平均溫度低4.97 ℃；證明增加旋轉(zhuǎn)風(fēng)葉區(qū)域的模型中（仿真2），散熱器周圍空氣流場(chǎng)更為復(fù)雜，擾動(dòng)更加劇烈，換熱效果更好。仿真1與仿真2存在約7.6 %的誤差。

使用仿真1計(jì)算時(shí)，case-1散熱器元器件平均溫度比case-2散熱器元器件平均溫度高0.32 ℃；使用仿真2計(jì)算時(shí)，case-1散熱器元器件平均溫度比case-2散熱器元器件平均溫度低1.05 ℃；兩者誤差較大，是因?yàn)榉抡?簡(jiǎn)化了外機(jī)內(nèi)的空氣流場(chǎng)，造成散熱器周圍空氣流場(chǎng)同時(shí)簡(jiǎn)化，造成兩者流場(chǎng)不相同，導(dǎo)致散熱器散熱性能不同。

3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證與分析

為驗(yàn)證仿真結(jié)果，在焓差實(shí)驗(yàn)臺(tái)對(duì)散熱器進(jìn)行驗(yàn)證。通過焓差實(shí)驗(yàn)臺(tái)調(diào)節(jié)風(fēng)量，設(shè)置相應(yīng)的外環(huán)和內(nèi)環(huán)溫度、濕度，與實(shí)際測(cè)試數(shù)據(jù)比較，驗(yàn)證仿真精度。首先，需要在各元器件上布置熱電偶，并在各個(gè)元器件與散熱器接觸表面均勻涂上散熱膏，再用溫度計(jì)量器讀取前面布置的各點(diǎn)溫度。高溫制冷工況是模擬室外較為惡劣的環(huán)境溫度，可以較為真實(shí)的檢驗(yàn)室外側(cè)電子器件運(yùn)行狀況。如下選取某機(jī)型測(cè)試各個(gè)元器件溫度，經(jīng)過外機(jī)散熱器后，空調(diào)器外機(jī)控制器盒處環(huán)境溫度約為54 ℃。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表3、圖8所示。

圖8 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

表3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果—各元器件溫度

根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果：

使用case-1散熱器時(shí)，各元器件平均溫度為76.89℃；

使用case-2散熱器時(shí)，各元器件平均溫度為78.56℃；

使用case-1散熱器元器件平均溫度比使用case-2散熱器元器件平均溫度低1.67 ℃； 圖9 實(shí)驗(yàn)與仿真對(duì)比實(shí)驗(yàn)結(jié)果與ANSYS Fluent仿真結(jié)果對(duì)比如圖9所示，根據(jù)結(jié)果可以得出，使用仿真2進(jìn)行計(jì)算時(shí)，能更準(zhǔn)確的反應(yīng)出更改散熱器參數(shù)造成的散熱器性能的變化。

圖9 實(shí)驗(yàn)與仿真對(duì)比

仿真2元器件平均溫度與實(shí)驗(yàn)值相差較大，主要是因?yàn)樾：嗽骷岷臅r(shí)是根據(jù)case-1仿真1模型進(jìn)行校核的，因此可以重新校核case-1仿真2模型中元器件熱耗后，更改散熱器參數(shù)后進(jìn)行仿真計(jì)算，具有較高的精度。

根據(jù)上述仿真結(jié)果，仿真1與仿真2均能大體反應(yīng)出變頻空調(diào)室外機(jī)散熱器參數(shù)變化后，各元器件溫度的變化趨勢(shì)與大致范圍與散熱器的散熱性能。但是，仿真2比仿真1需要更多的計(jì)算機(jī)計(jì)算資源。

4 總結(jié)

本文使用ANSYS Fluent軟件，通過兩種仿真方法，對(duì)分體式空調(diào)室外機(jī)與主板芯片冷卻散熱器進(jìn)行數(shù)值模擬，實(shí)驗(yàn)與仿真結(jié)果表明，仿真1計(jì)算量小，但精度較低，適合粗略計(jì)算；仿真2計(jì)算量大，但精度高，適合對(duì)比優(yōu)化分析。以case-1散熱器，仿真1為基準(zhǔn)。校核元器件熱功耗后，分別使用仿真1與仿真2對(duì)case-1散熱器、case-2散熱器進(jìn)行計(jì)算，對(duì)比試驗(yàn)結(jié)果，仿真1中元器件溫度最大溫差為2.7 ℃，最大誤差為9.74 %；仿真2中元器件溫度變化值最大溫差為1.47 ℃；最大誤差為26.35 %。實(shí)驗(yàn)與仿真結(jié)果表明，仿真1計(jì)算量小，但精度較低，適合粗略計(jì)算；仿真2計(jì)算量大，但精度高，適合對(duì)比優(yōu)化分析。仿真值與實(shí)驗(yàn)值吻合良好，說明了仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性，對(duì)今后空調(diào)主板散熱器的數(shù)值仿真計(jì)算具有一定的指導(dǎo)意義。