一種應(yīng)用于實際工程的強迫風(fēng)冷散熱設(shè)計方法探析

李 輝

（武昌工學(xué)院機械工程系，湖北 武漢430065）

0 引言

隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，元器件和設(shè)備日趨小型化，使得設(shè)備的體積功率密度大大增加。因此，為電力電子設(shè)備選擇合理的散熱和冷卻方法，設(shè)計有效的散熱系統(tǒng)就顯得尤為重要。強迫風(fēng)冷散熱的方式是電子設(shè)備中高功率器件采取的主要冷卻形式之一，該方式工作可靠、易于維修、成本相對較低，所以在需要散熱的電子設(shè)備冷卻系統(tǒng)中被廣泛采用。本文總結(jié)出一種能應(yīng)用于實際工程的設(shè)計計算方法，可有效地進行大功率電子設(shè)備的強迫風(fēng)冷散熱設(shè)計。

1 強迫風(fēng)冷散熱設(shè)計的基本方法

具有散熱器的強迫風(fēng)冷散熱設(shè)計比較復(fù)雜，由于管殼溫度、散熱器和風(fēng)機之間相互影響，使得各個參數(shù)的計算也相對復(fù)雜。以下針對這種情況，給出設(shè)計計算的基本方法和步驟：（1）了解設(shè)備工作環(huán)境（包括環(huán)境溫度和噪聲要求等），確定設(shè)備外形尺寸、配置、總功率、熱敏器件和集中發(fā)熱器件；（2）綜合考慮設(shè)備結(jié)構(gòu)，風(fēng)壓、成本、散熱效率等因素，選擇合適的散熱器；（3）依據(jù)發(fā)熱量和熱平衡方程，初步確定風(fēng)機；（4）根據(jù)設(shè)備及散熱器結(jié)構(gòu)，確定系統(tǒng)阻力特征曲線和風(fēng)機的工作風(fēng)量；（5）對散熱器進行校核計算。根據(jù)以上5個步驟，若最終確定散熱器的散熱量小于元器件產(chǎn)生的熱量，則還要調(diào)整散熱器的結(jié)構(gòu)參數(shù)，重新選擇風(fēng)機并重復(fù)上述步驟，最終使散熱器的散熱量滿足散熱條件。

2 強迫風(fēng)冷散熱設(shè)計實例

以某SVG功率模塊為例進行介紹。SVG模塊的主要發(fā)熱元件是IGBT，采用的是2個橋臂的IGBT并聯(lián)結(jié)構(gòu)，每個橋臂由2只450 A的IGBT串聯(lián)，經(jīng)過計算發(fā)熱量是2 000 W。

2．1 散熱器的選擇

散熱器的結(jié)構(gòu)設(shè)計需要綜合考慮電子設(shè)備的結(jié)構(gòu)要求、成本、風(fēng)壓、散熱效率、加工工藝等條件，并結(jié)合后續(xù)的多次反復(fù)計算確定。根據(jù)該設(shè)備的結(jié)構(gòu)要求及散熱系統(tǒng)結(jié)構(gòu)形式和成本等綜合考慮，初步選擇鋁型材散熱器，截面圖如圖1所示，長度為L＝545 mm。

2．2 風(fēng)機的選擇

假設(shè)所選散熱器設(shè)計合理，可將全部發(fā)熱量傳遞到散熱空間。所選風(fēng)機能將熱量排出設(shè)備外，風(fēng)機的風(fēng)量可將全部發(fā)熱量帶走。熱平衡方程為：

圖1 散熱器截面圖

式中，q為冷卻空氣流量（m3／s）；Q 為設(shè)備發(fā)熱量（W）；ρ為空氣密度（kg／m3）；Cp為定壓比熱容［J／（kg·℃）］；ΔT 為空氣的溫升（一般為10～15℃。）

該設(shè)備總發(fā)熱量Q＝2 000 W，定壓比熱容Cp取1 005 J／（kg·℃），空氣密度ρ取1．11 kg／m3，空氣溫升 ΔT 取10℃。將以上參數(shù)值代入到熱平衡方程得：q＝2 000／（1．11×1 005×10）＝0．179 m3／s＝644 m3／h。

因為風(fēng)阻的存在風(fēng)機是不可能工作在最大風(fēng)量處的，所以風(fēng)機的工作點風(fēng)量小于風(fēng)機的最大風(fēng)量。根據(jù)實驗及產(chǎn)品的使用情況，按照1．5～2倍的裕量選擇風(fēng)扇的最大風(fēng)量，q＝644×1．5＝966 m3／h，初步確定風(fēng)機的型號。

根據(jù)上述計算，我們初步選擇EBM型號為R2E250－AS47－26的風(fēng)機，圖2列出了所選風(fēng)機的有關(guān)參數(shù)，圖3為該風(fēng)機的特性曲線。

圖2 風(fēng)機的主要參數(shù)

圖3 風(fēng)機特性曲線圖

2．3 計算風(fēng)阻，并確定風(fēng)機的工作點

風(fēng)道的壓力損失可由下式計算：

ΔP＝hf＋hj＝λf（L／de）（ρV2／2）＋ζρV2／2

式中，λf為沿程阻力系數(shù)；L為流向長度（m）；de為當(dāng)量水利直徑（m）；V 為斷面流速（m／s）。

de＝4A流通／濕 周 長 ＝4×3．5×75／［2× （3．5＋75）］＝6．69 mm＝6．69×10－3m

根據(jù)實際經(jīng)驗風(fēng)速取10 m／s，則雷諾數(shù)為Re＝ρVde／μ＝10×1．11×6．69×10－3／（19．4×10－6）＝3 828

沿程阻力系數(shù)λf＝64／Re，則沿程壓力損失為hf＝0．2Q；根據(jù)散熱器的形狀查表得ζ＝0．5＋2，則局部壓力損失為hj＝2．5ρV2／2。

最終，風(fēng)道的曲線方程為 ΔP＝hf＋hj＝0．2Q＋0．001Q2，然后將風(fēng)道曲線與風(fēng)機的曲線進行疊加，其交點即為風(fēng)機的工作點，求得工作點對應(yīng)的風(fēng)速為13．5 m／s，壓力為370 Pa。

2．4 散熱器的校核計算

在風(fēng)機實際工作風(fēng)量下，散熱器的最大散熱量應(yīng)大于2 000 W，通過計算最大散熱量來確定是否滿足設(shè)備散熱要求。

強迫風(fēng)冷風(fēng)道內(nèi)對流換熱系數(shù)的計算公式為：

式中，hc為換熱系數(shù)［W／（m2·℃）］；J為考爾本數(shù)；G 為通道單位 面積 的質(zhì) 量流 量 ［kg／（m2·s）］；Cp為 定壓比 熱容［J／（kg·℃）］；Pr為普朗特數(shù)。

假設(shè)冷卻空氣的出口溫度為50℃，環(huán)境溫度為40℃，定性溫度Tf＝0．5×（50＋40）＝45℃，則查表得空氣的物性參數(shù)分別為：Cp＝1 005 J／（kg·℃），λ＝2．8×10－2W／（m·℃），Pr＝0．699，μ＝1．94×10－5Pa·s，ρ＝1．11 kg／m3。

通道的單位面積質(zhì)量流量為：

G＝ρV＝1．11×13．5＝15 kg／（m2·s）

根據(jù)風(fēng)機形成的實際風(fēng)速13．5 m／s，則雷諾數(shù)為：

Re＝ρVde／μ＝1．11×13．5×6．69×10－3／（19．4×10－6）＝5 167

因為是肋片式散熱器，則：考爾本數(shù)J＝0．72／R0．7e＝0．72／5 1670．7＝0．001 8；換熱系數(shù)hc＝JGCpP［－2／3］r＝0．001 8×15×1 005×0．699［－2／3］≈34；散熱器效率由表查得η＝0．69；該散熱器的最大散熱量為（散熱器臺面溫升按最大40℃考慮）：Q＝hcFΔtη＝34×0．69×3．27×40＝3 069 W。計算出的散熱器最大散熱量Q＞2 000 W，表明散熱器結(jié)構(gòu)設(shè)計及風(fēng)機選擇合理。

3 結(jié)語

電力電子設(shè)備中的強迫風(fēng)冷設(shè)計是非常復(fù)雜的，設(shè)計過程中可應(yīng)用以上計算方法進行初步的設(shè)計計算，最終還是要根據(jù)反復(fù)實驗來確定。實踐證明，這里提出的強迫風(fēng)冷散熱設(shè)計法是一種能應(yīng)用于實際工程的有效設(shè)計計算方法。

［1］王建石，胡可全．電子設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)手冊［M］．北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，1993

［2］張忠海．電子設(shè)備中高功率器件的強迫風(fēng)冷散熱設(shè)計［J］．電子機械工程，2005，21（3）

［3］王麗．大功率電子設(shè)備結(jié)構(gòu)熱設(shè)計研究［J］．無線電工程，2009，39（1）