應用于大功率器件的散熱裝置設計

張劍冰

（中國船舶重工集團公司第七二三研究所，江蘇揚州 225001）

0 引言

溫度是影響電子設備性能的重要因素，隨著電子設備的熱耗加大，散熱裝置的應用更加廣泛，散熱方式也更多樣化；對于艦載平臺中的散熱設計，其設計空間、設備重量均有嚴格限制，同時對設備的可靠性、維修性、環境適應性也非常苛刻［1］。液冷、風冷不同散熱形式各有優缺點，風冷由于結構簡單、價格低廉、可靠性高，具有其優勢［2］。

高效散熱裝置的研究主要包括傳熱路徑結構優化、流體流動優化設計等，針對熱量比較集中區域采用熱管或均熱板形式進行快速導熱，將集中熱量擴散到更大區域進行散熱。國內外諸多文獻對肋片式散熱器、熱管傳熱性能、均溫板等進行了研究。本文基于研究現有理論，結合項目實際特點和需求進行了傳熱路徑和流體流動優化設計［3－5］。

1 問題描述

某大功率行波管安裝于高頻箱內，高頻箱為艙外設備，環境溫度為50℃，單個行波管發熱量為500 W，行波管最大工作溫度為90℃。通常對于大功率電子設備采用液體冷卻方式，行波管直接貼裝在冷板表面，通過液體循環將熱量帶走，或者在設備箱體外掛空調系統，通過空調系統把設備熱量帶出。無論是液冷方式還是空調冷卻方式都需要增加外部設備，使得設備重量增加，體積龐大，成本高、維修性差。通過合理布置高導熱率的熱管，將行波管熱量迅速傳到至整個散熱器殼體，風機吸入環境風流經由散熱翅片和蓋板組成的風道，將熱量傳導至環境。

2 數學模型

散熱器的基本功能就是為電子元器件或設備的散熱提供一個路徑，將其工作過程中產生的熱量迅速傳遞至散熱器，散熱器再通過翅片與周圍空氣進行熱交換，使電子設備能夠在熱環境下正常工作。

傳熱的基本計算公式為：

式中：Ф為熱流量，W；K為總傳熱系數，W／（m2·℃）；A為傳熱面積，m2；Δt為熱流體與冷流體之間的溫差，℃。

熱傳導也可稱之為導熱。導熱發生在相互接觸并且滿足溫度不同的物體之間，亦或者發生在同一個物體，但內部溫度不同的各部分之間，熱能的傳遞依靠分子、原子以及自由電子等微觀粒子的熱運動。導熱的基本定律就是傅里葉定律：在導熱過程中，單位時間內通過導熱截面的熱量，與垂直該截面方向上的溫度變化率和截面面積成正比，而與熱量傳遞的方向與溫度升高的方向相反，計算公式為：

式中：q為熱流密度，W／m2；Ф為熱流量，W；A為與熱流方向垂直的面積，m2；λ為導熱系數，W／（m·℃）；dt／dx為熱量沿X方向傳遞的溫度變化率。

風機環境風流經散熱器表面與散熱器產生強迫對流換熱，將熱量最終導入到環境中。對流換熱的冷卻公式為：

式中：h為對流換熱系數，W／（m2·℃）；A為散熱器具備的對流換熱面積，m2；tw為散熱器表面的溫度，℃；tf為冷卻流體的溫度（環境溫度），℃。

3 散熱器形式確定

高頻箱散熱器結構如圖1所示。經過換熱計算，初步確定散熱器形式，散熱器的結構如圖2所示。散熱器齒寬3 mm，齒高76 mm，齒間距7 mm。

圖1 高頻箱散熱器結構圖

圖2 厘米波散熱器結構及熱耗示意圖

具有風機走線槽，風機引線通過壓線夾固定在走線槽里，走線槽圓滑過渡。行波管安裝凸臺開有熱管安裝槽，安裝面精加工，接觸面均勻涂抹導熱硅脂以減小接觸熱阻，嵌入熱管后保證熱管平面與行波管安裝凸臺平面平齊。

應用于大功率的散熱裝置由散熱器殼體、散熱器蓋板、通風板、防水風機、熱管等組成。散熱器殼體翅片頂部設置有蓋板；散熱器殼體翅片端面設置有通風板用于過濾雜質；散熱器殼體翅片另一端面安裝有4個防水防鹽霧風機抽取自然風流經由散熱器殼體翅片及蓋板組成的風道，強迫對流換熱；散熱器殼體行波管安裝凸臺嵌有6根熱管，熱管導熱性能好，具有均溫效果，能加強換熱效果。

散熱器殼體翅片端面安裝有4個防水防鹽霧風機，另一端面安裝有通風板，頂部安裝有蓋板，形成風道，減少風量損失，增強了換熱效果。行波管安裝凸臺上嵌有6根熱管，熱管兩端通過壓板壓住，熱管導熱性能好，能迅速傳導熱量，具有均溫效果。

殼體的熱量通過對流換熱方式帶走，結構簡單，使用方便，散熱效果明顯。

4 仿真計算

通過合理布置熱管，優化散熱器殼體翅片高度、寬度、間距，提高換熱效率。行波管熱量通過熱管加強熱傳導效果，迅速傳到至整個散熱器殼體，風機吸入環境風流經由散熱翅片和蓋板組成的風道，將傳導至散熱器殼體的熱量通過對流換熱方式帶走，整個結構簡單，使用方便，散熱效果明顯。

4.1 參數設置

合理選擇計算域，保證流體充分發展，減少計算域大小對計算結果準確度的影響，在流體方向上計算域長度為物體長度15倍，另外兩個方向為9～10倍。采用結構網格對計算域流體進行網格劃分。在計算域中采用由面到體的逐級劃分網格，對壁面進行細化，在壁面處對網格進行加密處理，使得流場求解更為細致，結果更準確，減少網格對仿真結果的影響。

采用速度進口邊界條件和完全發展出流邊界條件。流動選擇為不可壓縮流，密度為常數。

控制方程：質量連續方程和N－S方程，因無熱交換，所以不考慮能量方程。采用有限體積法對控制方程進行離散化的處理，即采用有限體積的方法將微分方程分解成一系列關于多個變量的非線性耦合代數的方程組，采用一階迎風格式實現對流項離散，采用具有一階精度的中心差分格式進行離散擴散項，采用SIMPLE算法對壓力－速度耦合方程進行求解，對流場進行了初始化，通過迭代計算得到流場數據和溫度分布。

4.2 計算結果

行波管安裝在散熱器之上，安裝表面嵌入6根熱管，熱管導熱系數取1 000 W／（m·K），經仿真形成圖3～5所示的仿真結果。采用某軟件對散熱器進行仿真，確定散熱方案的符合性。

圖3 散熱器溫度分布

圖4 厘米波行波管溫度分布

如圖4所示，厘米波行波管安裝表面最高溫度為89℃左右，溫度較高區域集中在發熱區域。

圖5 毫米波散熱器表面溫度分布

如圖5所示，毫米波行波管安裝面最高溫度為84℃左右。

仿真結果表明：該散熱器方案可行，散熱效率高，滿足某行波管安裝表面不高于90℃的散熱要求。

5 結束語

經過計算與仿真驗證，得到滿足大功率器件散熱需求的散熱方案和結構形式，其優點如下。

（1）換熱效率高及經濟實用性好。采用熱傳導、輻射和強迫空氣對流散熱相結合的結構形式，散熱效果較好，避免采用液冷設備和空調設備，結構簡單，成本降低。

（2）維護使用方便。蓋板、通風板通過螺釘直接固定在散熱器殼體；防水風機直接螺釘緊定在散熱器殼體翅片端面，可直接拆卸，維護使用方便。

（3）可靠性高。散熱器殼體整體加工成型，結構件強度和剛度滿足相關設計標準，抗震抗沖擊性能優越，不易損壞，可靠性高；防水風機安裝在散熱器殼體端面，維修性好。