基于Icepak主板散熱器優(yōu)化設計研究

摘 要 當前，主板散熱器設計多以經驗加實測為主，沒有相關的仿真分析方法或仿真精度低，缺少相關的設計指導規(guī)范，在設計時具有一定的盲目性。在這樣的背景下，本文以某主板散熱器為研究對象，對空調主板散熱仿真分析方法進行分析，可供參考。

關鍵詞 Icepak主板散熱器;優(yōu)化設計;仿真精度

1主板散熱器仿真分析

1.1 散熱理論基礎分析

散熱器的散熱方式有熱傳導、熱對流和輻射散熱，由于散熱器采用的是鋁擠型材，輻射較小，而且散熱器處在外機風場中，散熱器表面存在氣流組織，所以散熱仿真主要考慮熱傳導和熱對流，各模塊將熱量通過熱傳導方式傳遞給基板，基板再將熱量通過翅片，翅片與周圍空氣形成對流傳熱，是一個三維穩(wěn)態(tài)熱傳導過程[1]，其三維熱傳導方程具體如下所示：

Q—物體內部熱源密度，w/m2;λx、λy、λz—x、y、z三方向的熱傳導系數，w/m·k;ρ—密度。

本文考慮強制對流，可用牛頓冷卻公式表示：q=hAΔT（2）

q—對流帶走的熱量，w/m2;h—對流傳熱系數，w/㎡·K;ΔT—流體與散熱器表面溫差，℃

1.2 功率及熱阻估算

主板發(fā)熱主要有PFC電路和逆變電路，功率元器件有IPM、二極管D1/D2、整流橋、IGBT，以整機輸入功率為依據，根據經驗，PFC電路的效率大概是96%～97%，除去電感之外，整流橋、二極管和IGBT的共同消耗可以按1.5%評估。IPM的逆變效率大概是96%左右，占空比0.5，各功率元器件估算具體如下：整機輸入功率3800W，元器件總耗散功率為122W，IPM為53W，二極管為8W，整流橋為21W，IGBT為8W。

1.3 仿真計算

物理模型主要由外殼和散熱器兩個部分組成。散熱器上有控制器元器件，分別為IPM、整流橋、二極管、IGBT。

2實測驗證分析

為了驗證AnsysIcepak的仿真精度，在焓差實驗臺進行實際測試，焓差實驗臺可以調節(jié)風量，設置不同的外環(huán)和內環(huán)溫度和濕度，然后與實際測試數據進行比較，驗證仿真精度。在各元器件上布置熱電偶，并且在各個元器件與散熱器接觸表面涂上散熱膏，散熱膏涂抹均勻。在高溫制冷工況下測試各個元器件溫度，外環(huán)54℃。實際測試數據與AnsysIcepak仿真數據對比具體如表1所示。

實驗測得的各個元器件溫度分布與仿真所得各個元器件溫度分布趨勢一致，雖然存在誤差，但是誤差較小，最大誤差2.3℃。原因是仿真物理建模時，簡化了外機風道內的隔板和風葉，對仿真結果存在一定的影響[2]。

表1 實際測試與仿真數據對比

3散熱器關鍵影響參數分析

當前，主板散熱器的設計選型主要根據空調外機的空間、風的流動方向等方面來進行設計選型，然而，根據這三個因素設計出的散熱器不一定是散熱效果最優(yōu)的散熱器，因為基板厚度、翅片間距過大或過小都會降低散熱效果。散熱器與多個點熱源直接接觸，因此，基板溫度非均勻的，在橫向上存在極大的溫度梯度。基板厚度的變化，不僅影響了縱向上向翅片傳導的熱流密度，也影響了橫向上的熱量擴散。當基板過薄，橫向傳遞被削弱，熱量只能聚集在點熱源附近向上傳遞，散熱效果差。當基板過厚，熱阻增大，縱向傳遞變弱，散熱效果也會變差。當翅片間距變小，翅片數目增多，增加了散熱表面積，但是同時增加了風的流動阻力。

4幾何參數優(yōu)化設計研究

不同翅片間距的散熱器，翅片間距分別為d=3mm、d=5mm、d=7mm。不同散熱器對應的溫度最高的元器件均為整流橋。翅片間距d=5mm時，各元器件溫度最低，散熱效果最好，翅片間距d=7mm次之，翅片間距d=3mm散熱效果最差。因此翅片間距不能過大或過小，翅片間距過大，翅片數目減少，散熱表面積減少;翅片間距過小，流動阻力增加，散熱效果變差。不同基板厚度的散熱器，基板厚度分別為h=4mm、h=6mm、h=8mm。

圖1 不同基板厚度對散熱效果的影響

圖1為不同基板厚度對散熱效果的影響圖，從圖1可知，基板厚度h=6mm時，各元器件溫度最低，散熱效果最好，基板厚度h=4mm次之，基板厚度h=8mm散熱效果最差，但是三種基板厚度的散熱器散熱效果相差不大，元器件最大溫差為2℃。不同翅片長度的散熱器，翅片長度分別為L=50mm、L=60mm、L=70mm。

5結束語

該仿真分析方法與實測趨勢一致，可以指導設計，提高設計效率。翅片間距、基板厚 度均不能過大和過小，由于成本、空間限制，翅片長度不能過長

參考文獻

[1] 吳俊鴻，楊檢群，楊杰，等.變頻空調控制器IPM過熱問題的分析及對策[J].制冷技術，2012（4）：51-54.

[2] 黃滔，李發(fā)順.變頻空調功率器件散熱器設計[J].日用電器，2015 （8）：54-56.

作者簡介

趙臣烜（1985-），男，四川達州人;學歷：本科，職稱：工程師，現就職單位：湖南中車時代通信信號有限公司，研究方向：鐵路信號設備熱設計及輕量化研究。