基于FloEFD的電磁加熱用散熱片優(yōu)化設(shè)計(jì)

江太陽

摘 要：烹飪器具普遍采用電磁（IH）加熱技術(shù)給容器和食材進(jìn)行加熱，系統(tǒng)的散熱性能對整個(gè)系統(tǒng)的工作的穩(wěn)定性和可靠性有極大的影響;而使用 FloEFD仿真軟件對電磁加熱系統(tǒng)或散熱器件進(jìn)行仿真分析和優(yōu)化設(shè)計(jì)，能大幅縮短從原始方案設(shè)計(jì)到最優(yōu)方案的過程，從而縮短整個(gè)產(chǎn)品的驗(yàn)證和開發(fā)周期。

關(guān)鍵詞：FloEFD;仿真;熱分析;流場分析

一、技術(shù)背景

烹飪器具普遍采用電磁（IH）加熱技術(shù)給容器和食材進(jìn)行加熱，具有效率高，加熱速度快的優(yōu)點(diǎn)，因此深受用戶喜愛。其中的電磁加熱系統(tǒng)是通過把市電進(jìn)行整流，然后通過IGBT（一種大功率開關(guān)器件）周期性地給勵磁線圈和諧振電容充電，從而產(chǎn)生高頻周期性的磁場作用于鐵質(zhì)容器。其中整流橋堆和IGBT是整個(gè)電磁加熱系統(tǒng)的核心部件，在工作過程中會產(chǎn)生大量熱量，需要通過安裝在元件表面的散熱片進(jìn)行散熱，因此，整流橋堆和IGBT的散熱性能直接影響到電磁加熱系統(tǒng)工作的穩(wěn)定性和可靠性;

影響整流橋堆和IGBT的散熱性能的因素包括一下傳熱環(huán)節(jié)：1.晶元2.金屬支架3.封裝層（4.導(dǎo)熱硅脂）5.散熱片6.環(huán)境空氣。其中，熱量從晶元到散熱片直接的傳遞主要受元件的封裝結(jié)構(gòu)，元件安裝，散熱片表面工藝水平，導(dǎo)熱硅脂熱阻等因素影響;而熱量從散熱片到環(huán)境空氣中的傳遞則主要受散熱片的結(jié)構(gòu)，材質(zhì)和散熱片表面的氣流速度等因素影響;

二、軟件介紹

FloEFD是一款能直接在MCAD軟件的界面下操作的電子散熱，流體仿真的軟件，通過在產(chǎn)品開發(fā)初期對系統(tǒng)流場，溫升等進(jìn)行仿真分析和設(shè)計(jì)優(yōu)化，縮短后續(xù)模型驗(yàn)證的周期; 本文基于軟件，對電磁加熱系統(tǒng)中的散熱片進(jìn)行相關(guān)參數(shù)優(yōu)化，并通過實(shí)例闡述散熱片仿真優(yōu)化的一般流程和思路;

三、優(yōu)化過程

1.原始模型：如圖1所示，是基于我司一款電磁爐常用的散熱片簡化后的模型，以及安裝在散熱片上的整流橋和IGBT，其中散熱片包括整流橋散熱區(qū)，IGBT散熱區(qū)，中間區(qū)域用于安裝固定;

模型條件設(shè)置：整流橋功率：8W;IGBT功率：20W;散熱器材質(zhì)：鋁6063;流場條件：使用已有的離心風(fēng)機(jī)流場;其他條件：正確設(shè)置包括環(huán)境溫度，重力方向，求解域，全局網(wǎng)格劃分等級;同時(shí)，對翅片表面進(jìn)行加密局部網(wǎng)格劃分，收斂標(biāo)準(zhǔn)按系統(tǒng)默認(rèn)，分別設(shè)置整流橋堆和IGBT表面的最高溫度為參數(shù)研究目標(biāo)。

2.優(yōu)化過程：在實(shí)際任務(wù)中，散熱片設(shè)計(jì)的優(yōu)化方向受到很多方面的限制，比如空間大小，翅片厚度，翅片間距，翅片的分布，材料，表面粗糙度，加工工藝等。本案中，僅以散熱片中的導(dǎo)熱板厚度作為優(yōu)化的目標(biāo)進(jìn)行說明。

在FloEFD軟件界面中運(yùn)行參數(shù)研究功能，設(shè)置好導(dǎo)熱板厚度離散值為6.0，5.5，5.0，4.5，4.0，3.5，3.0，2.5，2.0，1.5，檢查無誤后啟動求解;運(yùn)行中，還可以通過軟件的任務(wù)窗口查看方案的求解進(jìn)程;當(dāng)所有的方案完成求解后，通過軟件的結(jié)果處理單元，得到所有方案中整流橋堆（固體2）和IGBT（固體1）表面最高溫度值列表.其中，整流橋和IGBT表面溫度值最小的方案分別對應(yīng)的是2.5和4.5，也就是說，對于整流橋堆，導(dǎo)熱板厚度為2.5毫米時(shí)的散熱效果最好;而對于IGBT，導(dǎo)熱板的厚度為5.0毫米時(shí)的散熱效果最好。

一般情況下，需要在最優(yōu)參數(shù)周圍，縮小參數(shù)步進(jìn)進(jìn)一步尋找最優(yōu)參數(shù)，或利用軟件的連續(xù)參數(shù)研究功能，獲得對導(dǎo)熱板的厚度參數(shù)更高精度優(yōu)化值。

3.手板驗(yàn)證：圖3是在上述優(yōu)化后的模型基礎(chǔ)上，進(jìn)一步對IGBT區(qū)域?qū)岚逶诔崞g的厚度進(jìn)行二次優(yōu)化，并對散熱片的安裝結(jié)構(gòu)做調(diào)整后的3D模型和實(shí)際樣品：

進(jìn)一步對散熱器樣品進(jìn)行裝機(jī)實(shí)測，結(jié)構(gòu)優(yōu)化后的散熱片整流橋堆溫度比原始樣品的低5～7℃，IGBT溫升比原始樣品的低3～5℃;同時(shí)散熱片的重量由54.5克下降到46.3克;顯然，此次的散熱片結(jié)構(gòu)優(yōu)化工作取得了較好的成效;

考慮到軟件的功能，以及運(yùn)行軟件的電腦硬件配置限制，實(shí)際工作中往往每次僅對一個(gè)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，以便加速求解的進(jìn)程;但是，我們也可以借助DOE實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，同時(shí)對多個(gè)參數(shù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，并對仿真計(jì)算后的結(jié)果進(jìn)行分析，達(dá)到只做較少次數(shù)仿真計(jì)算，優(yōu)化多個(gè)結(jié)構(gòu)參數(shù)的目的，進(jìn)一步提升仿真優(yōu)化的工作效率;

結(jié)束語

FloEFD能夠在MCAD軟件的界面下直接操作，并且支持旋轉(zhuǎn)機(jī)械的流場仿真和3D實(shí)體結(jié)構(gòu)，仿真的流程和操作也相對簡單，比較適合于烹飪器具行業(yè)結(jié)構(gòu)工程師在產(chǎn)品開發(fā)中使用，對縮短產(chǎn)品方案設(shè)計(jì)和驗(yàn)證周期有較大的幫助。

參考文獻(xiàn)

[1] 沈喜源. 筆記本電腦散熱器翅片及結(jié)構(gòu)件設(shè)計(jì)優(yōu)化[D]. 上海交通大學(xué).

[2] 何漢恩. 基于FLOEFD的散熱器翅片間距仿真設(shè)計(jì)[J]. 硅谷， 2014.