伺服驅(qū)動(dòng)器散熱器的熱設(shè)計(jì)優(yōu)化

史賢忠，杜佳星，劉纘閣，周武

（武漢邁信電氣技術(shù)有限公司，湖北武漢430223）

0 引言

隨著電子工業(yè)技術(shù)的發(fā)展，電子產(chǎn)品向著大功率密度、高效率的方向發(fā)展，以實(shí)現(xiàn)輕量化與小型化，各發(fā)熱元器件發(fā)熱量也隨之增加。而對(duì)大多數(shù)電子元器件而言，其失效率隨溫度的升高呈指數(shù)增長(zhǎng)趨勢(shì)，據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)統(tǒng)計(jì)，電子設(shè)備的失效有55%［1］是溫度過(guò)高所引起的。另?yè)?jù)統(tǒng)計(jì)，對(duì)于系統(tǒng)而言，單個(gè)電子元器件的溫度升高10℃，系統(tǒng)的可靠性降低50%［2］。防止電子元器件的熱失效是熱控制的主要目標(biāo)［3］。系統(tǒng)如何對(duì)設(shè)備內(nèi)部發(fā)熱元器件進(jìn)行散熱，保證系統(tǒng)正常運(yùn)行，已成為設(shè)計(jì)人員必須要重點(diǎn)解決的關(guān)鍵問(wèn)題。

采用數(shù)值模擬方法已經(jīng)成為了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)人員進(jìn)行熱分析的主要方式之一，該技術(shù)不僅能較好地模擬溫差作用下氣流的流動(dòng)，而且對(duì)溫度場(chǎng)的模擬也可以達(dá)到較高的精度，這使得設(shè)計(jì)人員能夠通過(guò)數(shù)值實(shí)驗(yàn)的方法方便地進(jìn)行模型優(yōu)化，以消除熱聚集帶來(lái)的影響，減少設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、實(shí)驗(yàn)的循環(huán)次數(shù)，大大降低了研發(fā)成本［4］。國(guó)內(nèi)外許多公司和單位均采用此類軟件幫助新產(chǎn)品進(jìn)行熱設(shè)計(jì)。如王堅(jiān)等［5］對(duì)電子設(shè)備機(jī)箱的散熱肋數(shù)目和尺寸進(jìn)行了優(yōu)化；王萌等［6］針對(duì)高密度密封電子設(shè)備的機(jī)箱散熱片和芯片到熱板的尺寸進(jìn)行了優(yōu)化；趙地［7］采用熱分析軟件對(duì)某工作設(shè)備進(jìn)行熱分析與設(shè)計(jì)。

在伺服驅(qū)動(dòng)器中，散熱器發(fā)揮著散熱核心的作用，主發(fā)熱源均依靠其將絕大部分熱量散發(fā)到外界熱層中去。因此，散熱器的優(yōu)化設(shè)計(jì)對(duì)整個(gè)產(chǎn)品的熱設(shè)計(jì)起著至關(guān)重要的作用。本研究將結(jié)合熱動(dòng)力仿真分析和工程設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)的技術(shù)應(yīng)用到伺服驅(qū)動(dòng)器散熱器優(yōu)化設(shè)計(jì)中，通過(guò)對(duì)比仿真分析的溫度場(chǎng)分布圖，優(yōu)選出散熱器最佳設(shè)計(jì)方案。

1 問(wèn)題描述

在伺服系統(tǒng)控制柜中，伺服驅(qū)動(dòng)器的工作環(huán)境溫度為0～40℃。其主要發(fā)熱源包括1個(gè)逆變器和2個(gè)整流橋，采用散熱器自然對(duì)流對(duì)其進(jìn)行冷卻散熱。在保證設(shè)備在最高溫工況下可靠工作的同時(shí)又要降低散熱器的重量及加工成本。

2 熱傳遞基本理論

熱量的傳遞有導(dǎo)熱、對(duì)流換熱及輻射換熱3種方式。在終端設(shè)備散熱過(guò)程中，這3種方式都有發(fā)生。3種傳熱方式傳遞的熱量分別由以下公式計(jì)算：

（1）Fourier導(dǎo)熱公式：

（2）Newton對(duì)流熱換公式：

（3）輻射4次方定律：

式中：λ—導(dǎo)熱系數(shù)，W/m·K；α—對(duì)流換熱系數(shù)，W/m2·K；ε—表面輻射率；A—換熱面積，m2；Q—熱量，W；Th，Tc，Tw，Tair—高溫面、低溫面、固體壁面和流體的溫度，℃。

3 熱仿真分析

3.1 數(shù)值計(jì)算理論基礎(chǔ)

ICEPAK在處理層流傳熱問(wèn)題時(shí)，其通過(guò)同時(shí)計(jì)算質(zhì)量、動(dòng)量以及能量傳遞方程這3組控制方程來(lái)求解Navier-Stokes方程。處理湍流傳熱問(wèn)題時(shí)，其在3組控制方程上增加對(duì)應(yīng)的附加方程進(jìn)行求解，其中零式方程在通常情況下能取得較好的結(jié)果。以下是3組控制方程以及零式方程：

（1）質(zhì)量守恒方程（針對(duì)不可壓縮流體）：

（2）動(dòng)量方程：

（3）能量守恒方程：

（4）零式方程：

3.2 建模

根據(jù)設(shè)計(jì)要求，該新型伺服驅(qū)動(dòng)器外形尺寸為L(zhǎng)×W×H=200 mm×152 mm×20 mm。其結(jié)構(gòu)形式主要包括一個(gè)散熱器、兩層PCB板、開(kāi)孔塑料外殼及一個(gè)逆變器和兩個(gè)整流橋，逆變器和整流橋均緊貼著散熱器，塑料外殼為半包式，散熱器肋片裸露在箱體外部。使用3D軟件建立伺服驅(qū)動(dòng)器簡(jiǎn)化模型，為節(jié)約計(jì)算資源，箱體內(nèi)部做了一定簡(jiǎn)化。省去接線端子、微小發(fā)熱量的電子元器件等模型，簡(jiǎn)化模型如圖1所示。

圖1 伺服驅(qū)動(dòng)器簡(jiǎn)化3D模型

3.3 設(shè)定初始條件及邊界條件

流體計(jì)算域設(shè)定為比箱體模型外圍尺寸單邊多出50 mm。設(shè)置分析類型為內(nèi)部流動(dòng)、固體導(dǎo)熱，流體介質(zhì)為空氣，計(jì)算域邊界全部設(shè)為Opening，環(huán)境溫度為20℃。塑料外殼底部為自然對(duì)流進(jìn)風(fēng)口，側(cè)面為出風(fēng)口。散熱器材料采用Al6063，導(dǎo)熱系數(shù)λ=209 W/m·K；塑料外殼材料采用ABS，導(dǎo)熱系數(shù)λ=0.25 W/m·K；PCB材料平面方向?qū)嵯禂?shù)λ=45 W/m·K，垂直方向?qū)嵯禂?shù)λ=0.3 W/m·K；逆變器和整流橋全部采用銅材料代替，導(dǎo)熱系數(shù)λ=387.6 W/m·K，其熱耗如表1所示。

表1 發(fā)熱元器件特征參數(shù)

3.4 仿真分析及優(yōu)化

仿真分析著重于散熱器結(jié)構(gòu)尺寸優(yōu)化。通過(guò)調(diào)整散熱器基板厚度b、肋片間距l(xiāng)、肋片高度h以及肋片厚度δ等幾個(gè)關(guān)鍵尺寸來(lái)獲得仿真分析方案。首先通過(guò)矩形肋片優(yōu)化出較優(yōu)方案，再在此基礎(chǔ)上依據(jù)“當(dāng)材料、熱換系數(shù)和肋基熱流量對(duì)肋基過(guò)余溫度之比相同時(shí)，三角形斷面重量只有矩形斷面的69%”［9］重要結(jié)論，結(jié)合加工工藝性，適當(dāng)選取梯形斷面方案作為進(jìn)一步優(yōu)化方向，提出以下幾種優(yōu)化方案，其中選取某原方案作為優(yōu)化參考標(biāo)準(zhǔn)。散熱器肋片截面結(jié)構(gòu)尺寸示意圖如圖2所示。

圖2 散熱器肋片截面結(jié)構(gòu)示意圖

（1）方案1：肋片間距l(xiāng)由6.2 mm縮小至5 mm；

（2）方案2：肋片間距l(xiāng)由6.2 mm縮小至4 mm；

（3）方案3：基板厚度b由4 mm增至5 mm；

（4）方案4：在方案3基礎(chǔ)上，保證重量不變的情況下，矩形肋片變形為梯形（擬合三角形）肋片，肋片根厚δ由1.5 mm增至2.1 mm，相鄰肋片夾角α由0°增至4.6°。

忽略溫度升高導(dǎo)致熱源熱耗大小、熱導(dǎo)率變化等非線性因素的影響，主要以熱源最高溫升作為比較對(duì)象。原方案及優(yōu)化方案1～4散熱器與熱源溫度場(chǎng)分布圖分別如圖3～7所示。

圖3 原方案溫度場(chǎng)分布

圖4 方案1溫度場(chǎng)分布圖圖

圖5 方案2溫度場(chǎng)分布圖

圖6 方案3溫度場(chǎng)分布圖

圖7 方案4溫度場(chǎng)分布圖

本研究依據(jù)上述分析結(jié)果，提取各方案熱源最高溫溫升，如表2所示。

表2 各方案肋片結(jié)構(gòu)尺寸與熱源最高溫溫升對(duì)照表

3.5 結(jié)果分析

（1）對(duì)比方案1、2分析結(jié)果與原方案可看出，在原方案肋片其他尺寸不變條件下，減小肋片間距、增大散熱面積反而使得溫升增加、散熱條件變差，其主要原因?yàn)槔咂g距減小后盡管增加一定散熱面積，但肋片間空氣流動(dòng)阻力增加，不利于散熱。

（2）對(duì)比方案3與原方案可知，增加基板厚度、增高肋片高度，使得最高溫升從86.5℃降低至81.9℃，效率提高了約5%。

（3）方案4相比方案3，同等體積、重量條件下，增加肋片根部厚度，減小肋片端面厚度，擬合接近三角形肋片，最高溫升降低至80.6℃，散熱效率提高了約6.8%。

（4）結(jié)合表1和表2可知，發(fā)熱電子元器件的最高工作結(jié)溫為125℃，而方案4最高溫升為80.6℃，結(jié)合40℃工作環(huán)境溫度，120.6℃的最高溫小于最高工作結(jié)溫125℃，滿足使用條件要求。

4 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)仿真分析軟件優(yōu)化出矩形肋片尺寸，再結(jié)合“當(dāng)材料、熱換系數(shù)和肋基熱流量對(duì)肋基過(guò)余溫度之比相同時(shí)，三角形斷面重量只有矩形斷面的69%”重要結(jié)論，獲得散熱效果更優(yōu)的梯形（擬合三角形）肋片斷面設(shè)計(jì)方案，使得散熱效率提高了約6.8%。本研究方法在一定程度上降低了電子元器件溫升，提高了產(chǎn)品的可靠性，增加了產(chǎn)品的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。

（

）：

［1］劉明安，董秋霞，陳碩.開(kāi)式機(jī)箱電子設(shè)備熱設(shè)計(jì)的數(shù)值研究［J］.空軍工程大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2005，6（2）：62-65.

［2］NELSON L A，SEKHON K S，F(xiàn)RITZ J E.Direct heat pipe cooling of semiconductor devices［C］//Proceeding of the 3th International Heat Pipe Conference，Palo Alto：［s.n.］，1978：373-376.

［3］邱成悌，趙淳殳，蔣全興.電子設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理［M］.修訂本.南京：東南大學(xué)出版社，2002.

［4］袁亞輝.基于6sigma ET的某電子設(shè)備瞬態(tài)熱設(shè)計(jì)［J］.機(jī)械，2013，40（8）：36-39.

［5］王堅(jiān)，徐國(guó)華.電子設(shè)備熱分析及優(yōu)化設(shè)計(jì)［J］.廣東工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2003，20（3）：54-63.

［6］王萌，徐曉婷.高密度密封電子設(shè)備熱設(shè)計(jì)及結(jié)構(gòu)優(yōu)化［J］.電子工藝技術(shù)，2006，27（6）：339-343.

［7］趙地.嵌入式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)功耗散熱分析及優(yōu)化設(shè)計(jì)［D］.西安：西安電子科技大學(xué)通信工程學(xué)院，2007.

［8］Ansys Inc.Icepak User's Guide［CP］.SASIPInc.，2011.

［9］余建祖，高紅霞，謝永奇.電子設(shè)備熱設(shè)計(jì)及分析技術(shù)［M］.2版.北京：高等教育出版社，2001.