電力電子器件強制風冷用新型散熱器的研究

曠建軍, 林周布, 張文雄, 陳　為(福州大學, 福州　350002)

　　摘要:通過深入分析對流傳熱過程原理,在確定了影響強制風冷散熱效果的因素后,運用航空技術中擾流方法,提出了一種新型強制風冷用散熱器的技術,并通過實驗證明該技術能有效地提高電力電子器件的散熱效果。
關鍵詞:強制冷卻;散熱器/ 擾流片;電力電子器件

中圖分類號: TK414. 2 ; TN34 　　文獻標識碼:A 　　文章編號:1000 - 100X(2002) 02 - 0072 - 02
Research on a Novel Heat Sinker with Forced Cool ing for the Power Electronic Devices

KUANGJ ian2jun , L IN Zhou2bu , ZHANG Wen2xiong ,CHEN Wei( Fuz hou University , Fuz hou 350002 , China)

Abstract :On the basis of the factors influencing on the cooling efficiencies determined by the detail analysis of tropospheric heat exchanging , the technology of a novel heat sinker with forced cooling is proposed in this paper with aerospace technology. Experiments have proved the cooling technology for power electronic devices is effective.
Keywords :forced cooling ; heat sinker/ turbulator ; power electronic device
1 　引　言
現代電力電子裝置的發展方向是:高功率密度,高可靠性,高效率,以實現小型化輕量化。制約電力電子裝置小型化輕量化的主要因素是整機的效率與散熱效果。為解決此問題可從兩方面入手: ①從電路結構上入手減少損耗,如采用軟開關技術; ②運用更有效的散熱技術,在相同的體積下提高散熱效果或在相同的散熱效果下減小體積。在較大功率電力電子裝置中的主要散熱方式是強制風冷,因此提高強制風冷效果的技術就成了研究的重點。一方面合理的風道設計可在不增加散熱器體積和重量的情況下有效地改善散熱[1 ] ,另一方面,通過在現有型材散熱器中增加數小片擾流片在散熱器表面的流場中引入紊流也可顯著地提高散熱效果。

2 　對強制風冷熱傳遞的分析
電子器件產生的熱量由熱傳導的方式通過管殼到散熱器,再通過散熱器以對流與輻射兩種傳熱方式傳遞到外界環境中。本文主要研究散熱器表面到外界環境的傳熱過程。由于強制風冷散熱方式主要是對流換熱,根據傳熱學原理,對流換熱過程滿足牛頓冷卻公式[2 ] :
Q =αAΔ T (1)
式中　Q 單位時間內由散熱器傳遞到環境的熱量α 對流換熱系數
A 散熱器與空氣接觸的面積
Δ T 散熱器壁面溫度T1 與外界空氣溫度T2 之差散熱器的散熱效果可用其熱阻Rt 來描述:Rt = ( T1 - T2) / Q (2)
比較式(1) 和式(2) 可知:Rt = 1/ (αA) (3)
式(3) 說明對流換熱系數α和換熱面積A 越大,熱阻越小散熱效果越好。但為了適應電力電子器件向小型化和輕量化發展,應主要研究如何提高α來達到提高強制風冷的效果。
由傳熱學原理對流換熱中的換熱微分方程式α= [ - λ/ ( T1 - T2) ] (9 T/ 9 y) y = 0表明了換熱系數α的物理本質。式中α取決于流體的導熱系數λ,溫度差( T1 - T2 ) 和近壁流體的溫度梯度( 9 T/9 y) y = 0 。
由傳熱學和流體力學中的原理知:當空氣流過散熱器時在散熱器表面形成較薄的熱邊界層δt 和速度邊界層δ,如圖1 。在熱邊界層內,溫度沿散熱器表面法線方向由T1 變化到T2 ,而在熱邊界層只外溫度基本不再變化。同樣在速度邊界層內,速度沿散熱器表面法線方向由零變化到V 2 ,而在速度邊界層只外速度基本不再變化。在流場中又分為層流和紊流。另外,由于散熱器表面的阻礙作用在紊流邊界層的底部形成極薄的一層層流底層。紊流時對流換熱除貼壁的層流底層外,紊流核心的速度分布和溫度分布都較為平坦,主要熱阻在層流底層中。
由于層流底層極薄,溫度梯度( 9 T/ 9 y) y = 0甚大,所以紊流換熱強度遠遠超過層流。

在航空器制造技術中,由于層流比紊流摩擦阻力小,所以不少種翼型設計中都盡量使流過機翼的空氣保持層流狀態。但層流在有些翼型中會發生局部分離,帶入了壓差阻力,使阻力大大增加甚至超過紊流時的阻力。為了解決這個問題航空工程師發明了紊流發生器(擾流片) 使流過機翼的層流變成紊流,而紊流抗局部分離的能力比層流大的多,從而使機翼阻力大大減少。本研究就是基于航空技術上的這個原理,在流過的散熱器前端加擾流片使流過散熱器表面的空氣變為紊流加強對流換熱的效果。

3 　實驗及結果分析
為了研究紊流發生器對散熱情況的影響,在風機和散熱器及發熱功率都相同的條件下,進行了對比實驗。實驗裝置中, 發熱元件為兩個IRFP460MOSFET 功率管并聯,風機是直徑為120mm 的直流驅動軸流風機FBK212G12L E , 風量為2. 5m3/ min。散熱器用亞泰牌SRX2YDH132 散熱器,有效面積為733cm2 ,重量為295 克。為便于實驗研究,把散熱器的臺面作為研究對象,把它當成散熱器的翼面,在它的一端粘上18 片擾流片共3 克,安裝及擾流片尺寸如圖2 。

因散熱器前端加了擾流片,改變了散熱器的散熱面積。為了排除不一致因素,保證實驗的有效性,用同一個加了擾流片的散熱器做對比實驗。方案1把加了擾流片的一端作為空氣流入端,方案2 把加了擾流片的一端作為空氣流出端,相當于擾流片不起作用。這樣方案1 中擾流片產生的紊流就會流過散熱器,方案2 因擾流片在空氣的流出端,擾流片產生的紊流就會直接流出散熱器。實驗對比結果很好地說明了擾流片對加強強制對流換熱的效果。本實驗用硬紙板制成機箱,模擬實際機箱對散熱的影響。
用直流穩壓電源提供4A、10V 給發熱元件,另用一直流穩壓電源提供10V 電壓給柵極驅動。用Raytek 公司的RATST6LX 型紅外非接觸式溫儀測量溫度,精度為0. 1 ℃,測溫點選在散熱器臺面上靠近發熱元件的位置。當系統穩定時記錄臺面溫度。
實驗結果:擾流片在前端時(方案1 ,圖3a) ,溫升為23. 3 ℃。擾流片在后端時(方案2 ,圖3b) ,溫升為26. 9 ℃。由熱阻公式Rt = ( T1 - T2 ) / Q得知,因Q 是一樣的,故兩種方案的熱阻比為23. 3/ 26. 9 =86. 6 % ,即加擾流片減少熱阻13. 4 %。

4 　結　論
實驗證明在散熱器前端加入擾流片引入紊流,可有效提高強制風冷的散熱效果。所提出的技術對新型強制風冷散熱器的研發提出了一個新的方案。

參考文獻:
[1 ] 楊旭,馬靜,張新武,王兆安. 電力電子裝置強制風冷散熱方式的研究[J ] . 電力電子技術,2000 ,34 (4) : 36～38.
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