電子模塊散熱器基座厚度對換熱性能的影響分析

張輝，趙萬東，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換熱性能的影響分析

張輝，趙萬東*，高旭

（珠海格力電器股份有限公司，廣東珠海 519070）

本文應用Fluent對不同基座厚度的空調控制器電子模塊散熱器進行換熱性能仿真分析。計算結果表明，在散熱器總高不變的前提下，基座厚度為5 mm時，散熱器換熱性能最佳。通過功耗元件溫升實驗進一步驗證后表明，仿真所得結論與實驗結果基本一致。

散熱器；換熱性能；數值模擬；溫升實驗

0 引言

變頻空調運行時，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）均會產生較大熱量，導致元器件溫度急劇上升，若熱量無法及時排出，電子元器件的可靠性會急劇下降[1]。有研究指出，單個電子元器件的溫度每升高10 ℃，其失效率將增加1倍[2]，致使空調性能降低，嚴重時將導致空調停機。因此，功耗元器件的散熱器設計顯得尤為重要。

空調控制器電子模塊用散熱器形式一般為肋片式散熱器，前人對該類型散熱器的設計作出了較為廣泛的研究，國外方面，LEUNG等[3]運用實驗測量的方法得出了散熱器翅片間的最佳間距。ANDREW[4]對自然對流散熱器的熱性能進行分析，并仿真計算了散熱器處于熱穩態時的相關熱性能參數，對散熱器直肋尺寸進行了優化。POULIKAKOS等[5]在強制對流前提下，以熵產率最低為目標，確定了最佳散熱器結構尺寸。國內方面，吳俊鴻等通過分析變頻空調控制器的智能功率模塊溫度過熱導致壓縮機頻率受到限制的實例出發，提出了通過合理設計保護參數、散熱器尺寸和形狀合理設計、板發熱元器件位置合理設計、采用散熱性能良好的熱傳導材料等有效手段降低或解決變頻控制器發熱元器件過熱問題[6]。謝少英等[7]以熱阻最低為優化目標采用復合形優化算法對散熱器各個幾何參數對其熱特性的影響進行了分析，并用實驗驗證了方法的準確性。韓寧等[8]采用數值方法對型材散射器的三維流場及溫度場進行了分析計算，定量分析了結構因素對散熱器熱阻的影響。李玉寶等[9]考察了矩形肋片散熱器幾何參數對散熱效果的影響規律，認為通過調整合適的肋片高度、長度和間距可有效降低散熱器的熱阻。高一博[10]結合數值模擬，在自然對流工況下，運用最少材料法、最小空間體積法、最小熱阻法和層次分析法優化直肋片散熱器尺寸，與實驗結果對比驗證后表明肋片間距與肋片高度的比值對散熱器的換熱性能具有重要影 。

為進一步優化空調室外機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其換熱性能的影響，并用實驗測試了各基座厚度下整流橋、二極管、IGBT及IPM的溫升效果，結果表明，仿真所得結論與實驗結果較為吻合，在基座厚度為5 mm時，元器件表面溫度降低，散熱器性能得到進一步提升。

1 數學模型構建

傳統的制冷空調產品設計中主要依賴樣機的反復制作與調試，既增加了開發費用，又談不上產品的新性能優化，不利于節能節材。通過計算機仿真與優化等技術的應用，首先在計算機上面實現產品的優化設計，可以有效地提高優化設計的效率，是制冷空調產品設計方法現代化的發展方向[11]。

1.1 控制方程

對于不可壓縮、常物性、無內熱源的流動，對流傳熱的完整微分方程組可描述如下[12-13]。

質量守恒方程，又稱連續性方程：

動量守恒方程：

能量守恒方程：

在固體區域，Fluent中的能量輸運方程如式(6)中所示：

式中：

ρ——固體密度，kg/m3；

h——顯焓，K；

k——熱傳導系數，W/(m·K)；

T——固體溫度，K；

Shh— —體熱源產生的能量，J。

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

1.2 計算模型簡化

圖1(a)中所示為散熱器在電氣盒中的位置，氣流由圖中左側通過進風柵條進入散熱器盒蓋，通過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。

由于電器盒結構復雜，殼體上布滿加強筋及凹槽等復雜細小的結構，無疑會增加網格數量，且難以保證網格質量。因此，僅截取包裹散熱器的盒蓋部分作為本次仿真的計算域，并忽略空氣入口處的格柵結構，簡化后計算模型如圖3所示。

圖2 功耗元器件布置位置

圖3 模型簡化

1.3 邊界條件及網格方案

由于存在溫度傳遞，因此必須開啟能量方程，流動模型選取通過雷諾數 Re計算進行判斷，使用熱線風速儀對散熱器入口處風速進行測量，整理后取平均值為1.9 m/s，由雷諾數計算公式[14]可得入口處Re=9,575.4，屬于湍流范疇，因此，選取k-ε雙方程湍流模型進行流動計算。在穩態工況下分析計算研究對象的溫度場，因此所有微分方程中忽略時間項的影響[15]。

為模擬風機的抽吸作用，入口選取自由流入口邊界，入口溫度為 43 ℃，出口為負壓出口，負壓值為-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，為對比散熱器的換熱量及傳熱系數，將各功耗元器件做定壁溫處理，各元器件溫度參數采用實測值，保證了熱源一致性，邊界條件具體設置如表1中所示。

表1 數學模型及邊界條件設置

圖4為散熱器方案調整示意圖，保持散熱器總高H不變，調整基座厚度d的值分別為4 mm、5 mm、6 mm及7 mm，共計4個計算方案，考察換熱量及換熱系數的變化情況。

由于散熱器肋片與基座間存在圓弧過渡段，容易引起網格畸變，因此采用四面體網格對空間進行離散，三角形網格對面進行劃分，并在肋片表面拉升出4層棱柱體網格，最終生成網格總數達572萬，節點數92萬以上，截面網格如圖5中所示。

圖4 方案調整示意圖

圖5 肋片表面邊界層網格

2 仿真結果分析

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，高溫區域在肋片表面的分布面積越來越小，基座局部高溫區域縮小，散熱器表面最高溫度呈下降趨勢。

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，導熱面積熱阻越大，溫度在散熱器上的傳導阻力越大，因此出現了基座越厚、高溫區域面積越小的現象。但是換熱器整體的換熱性能優劣不能僅 通過表面溫度及基座熱阻衡量，還需綜合考慮散熱器結構不同時肋片在空氣側換熱面積的影響。理論上，在總高一定的前提下，存在一個最優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 換熱性能對比

讀取各方案散熱器表面換熱量及表面傳熱系數數值如表2中所示。從表中可知，基座厚度為5 mm時，散熱器的換熱量最高，表面傳熱系數最大。

表2 換熱性能對比

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

這是由于在散熱過程中，基座厚度過厚，則元器件產生的熱量積聚在基座處，難以通過肋片將熱量耗散到空氣中，導致整體換熱量下降，基座厚度過薄時，元器件熱量傳導不充分，未能有效利用到每片肋片的換熱面積，同樣會導致換熱量的下降。

圖7 換熱量隨基座厚 變化曲線

3 實驗驗證

3.1 實驗方案

將外機與室內機相連，室內環溫 32℃，室內機送風溫度23 ℃，室外環溫43 ℃，實驗方案如表3中所示，方案1為基座厚度4 mm且肋片數為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，肋片數不變。

實驗測試過程中，各功耗元器件溫度波動穩定后再記錄溫度數據，記錄完成后停機，待各元器件溫度下降至常溫后，再進行下一方案的測試。

表3 實驗方案

3.2 實驗數據分析

實驗測試數據如表4中所示，由實驗數據可知，相比于肋片數量而言，基座厚度對散熱效果影響不大，方案2中，肋片數減少一片，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，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，無需采用高基板厚度的散熱器。

表4 實驗數據

以方案1中各功耗元器件溫度總和為基準，分別計算方案2至5的元器件總溫，與方案1進行對比，得到溫降幅度如表5中所示，方案3與方案5的總溫降均可達到6%，但方案3溫降幅度更大，成本更低。

表5 溫降效果對比

圖8為基座厚度增加時，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先減小再大幅增加，之后緩慢降低的趨勢，IGBT與IPM則在基座厚度增加時，溫度持續降低，說明基座厚度增加后，對元器件產生的熱量進行了儲存，但基座厚度增加，溫度下降速度放緩，效率過低，成本升高。

圖8 元器件溫度隨基座厚度變化圖

實驗所得結果與仿真結果基本一致，區別在于當基座厚度增加至7 mm時，實驗結果顯示元器件溫升情況有一定改善，主要原因是在實驗過程中，為方便方案間的更替，人為剪除了散熱器盒蓋，導致散熱器一部分基座也裸露在空氣中，換熱得到加強，而仿真模型中，空氣計算域僅包含肋片區域及一部分基座區域，造成了實驗與仿真的偏差，但仿真與實驗結果均表明，基座厚度為5 mm時散熱器換熱性能最佳。

4 結論

1）仿真及實驗結果均表明，基座厚度為5 mm時，所述外機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，整流橋、二極管、IGBT及IPM的溫升均得到改善，當基座厚度進一步增加時，整流橋與二極管溫度顯著上升后緩慢下降，IGBT及IPM的溫度則呈現單調下降的趨勢，但基座加厚使得換熱效率降低，成本大幅升高；

3）肋片數對散熱器換熱性能的影響極大，后續設計散熱器時，可適當增加肋片數，肋片高度及寬度應盡量設計到結構允許的最大值；

4）本次仿真及實驗間存在一定差異，后續仿真方面，可將功耗元器件邊界條件由定壁溫替換為生熱率，更加貼近實際情況，實驗過程中添加散熱器盒蓋，以獲得更精確的實驗值。

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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

*趙萬東（1990-），男，助理工程師，碩士。研究方向：傳熱傳質。聯系地址：珠海前山金雞西路，郵編：519070。聯系電話：0756-8522066。E-mail：zhaowandong115@163.com。