基于ICEPAK 軟件的水冷基板散熱器結構優化設計

孫蕾

（吉林鐵道職業技術學院，吉林 吉林132200）

近年來，由于機車內部安裝有大量的電器設備及其他需要冷卻的部件，如內燃機車的柴油機、整流器、逆變器、牽引電動機、制動電阻等以及電力機車內部的變壓器、整流與逆變模塊、牽引電動機、各電器設備等，所以我們機車在散熱方式領域也在不斷探索與創新，水冷散熱就是其中的一種。本文隨機選取了一款我國國內機車常用的水冷型散熱器，利用ICEPAK 軟件對其進行模擬分析，在分析過程中，先觀察此款散熱器的溫度分布以及內部冷卻液的流動分布狀態，在觀察過程中，通過對模擬出的數據進行分析比對找出該冷卻器存在的不足之處，其次再依據發現出的問題進行改進重新設計散熱器內流體的流道，最后將新設計的散熱器與之前的相比較發現，重新優化設計的新散熱器較之前的散熱器在散熱性能方面提高很大，為后續對水冷式散熱器的研發與改進奠定了基礎。

1 模型建立及分析

建立模型第一步我們要先選擇散熱器水冷板的材料，備選材料有鋁、銅、鐵。如果采用銅板，散熱性能比較好，但是成本較高，重量也較重，如果換成鐵板的話，成本上能節約不少，但是鐵板的散熱性能較銅板差太多，如果采用鋁板的話，鋁的散熱性能比鐵要好，密度又比銅和鐵小，綜上所述，散熱器水冷板的材料最后定為鋁。定了材料之后我們再確定尺寸，按照對水冷器的需求，我們將水冷板的外形尺寸暫時定位長款高分別為300 毫米、300 毫米、30 毫米。最后利用軟件建出的元器件位置布置圖與水冷板的模型圖分別如圖1、圖2 所示。

圖1 元器件布置圖

圖2 水冷板模型

2 計算結果分析

建立散熱器的三維模型后，我們利用軟件進行仿真模擬，經軟件分析后得到散熱器表面溫度分布如圖3 所示，中間平面的速度分布如圖4 所示:

圖3 表面溫度分布

圖4 內部流速分布

結合軟件模擬出的散熱器便面溫度分布圖與散熱器內部流速分布圖，我們可以分析出結果，雖然流體在該散熱器內部流動，但流體流動的方向不規律，有點部位流動不到，方向不均衡，可以會導致有點部分冷卻不到，綜上所述，該水冷式散熱器的冷卻能力不是特別的好，有待優化。

3 散熱器結構優化設計

通過軟件分析出的溫度分布圖與流速分布圖，我們得出了結果，冷卻效果并不理想。知道了問題所在，接下來我們就針對導致冷卻效果不理想的原因進行優化與改進。我們先觀察需要散熱元器件的安裝方位，為了提高散熱能力，我們要確保散熱器內的冷卻液要流經元器件安裝位置，那么在保證該散熱器水冷板整體大小不變的基礎上，我們重新利用軟件對散熱器水冷板的流體流通通道進行優化設計。

圖5 優化后的水冷板模型

3.1 優化后的散熱器溫度場分析

同樣的，對優化后的模型，我們要檢驗其冷卻性能是否有所提升，所以我們在散熱器入口inlet 處設置水流速2.7 米每秒，即水流量為50.9 升每分鐘，這時候我們可以得到該散熱器的耗散總功率為1.45 千瓦時，我們可以發現該散熱器的熱阻是0.0273 攝氏度每千瓦，該散熱器的溫升是39.6 攝氏度，最高溫度達到了84.52 攝氏度，綜上所示，該散熱器的散熱能力達到了設計需求。具體該散熱器的表面溫度我們可以觀察圖6。

圖6 改良后表面溫度分布

3.2 分析該散熱器的流體流場

僅僅是溫度符合要求是遠遠不夠的，我們還要來分析一下重新建模的散熱器的流場。當我們輸入重新建模的散熱器流體流動量50.9 升每分鐘時，我們可以通過圖7 發現，之前沒有流體流過元器件的安裝位置此刻卻有流體流過了，而且流體的動能較大，由此可見，我們新設計的散熱器在散熱能力上要比之前的散熱器提升不少。

圖7 優化后內部流速分布

4 研究結果

4.1 本文隨機選取了一款我國國內機車常用的水冷型散熱器，利用ICEPAK 軟件對其進行模擬分析，通過對水冷板進行計算機仿真,直觀的描述了散熱器的流場和溫度分布；

4.2 通過分析結果進行重新改良，最主要的對流體的流道進行了優化，優化后的散熱器可以有更多的流體流過需要散熱的元器件的安裝位置，從而提高了散熱器的冷卻能力，提高了元器件的工作壽命。

本文僅考慮了相同散熱器結構下不同水流量和不同散熱器結構下相同水流量對散熱器散熱能力的影響，其他情況還需具體情況具體分析。