基于Flotherm的集裝箱散熱設(shè)計*

李亞梅，劉偉增，田 興，張長水，張 鵬，張 進

(1. 特變電工新疆新能源股份有限公司， 新疆 烏魯木齊 830011；2. 特變電工西安柔性輸配電有限公司， 陜西 西安 710119)

基于Flotherm的集裝箱散熱設(shè)計*

李亞梅1，2，劉偉增1，2，田 興1，2，張長水1，2，張 鵬1，2，張 進1，2

(1. 特變電工新疆新能源股份有限公司， 新疆 烏魯木齊 830011；2. 特變電工西安柔性輸配電有限公司， 陜西 西安 710119)

Flotherm已被廣泛用于電子設(shè)備的模擬仿真，能夠較為準(zhǔn)確地模擬電子設(shè)備的溫度及壓力分布。文中使用Flotherm對集裝箱進行熱仿真，獲得了系統(tǒng)的溫度場和壓力場，在此基礎(chǔ)上為系統(tǒng)確定了合理的散熱方案并完成了散熱器和風(fēng)機的選型。同時還對集裝箱進行了熱測試，并對測試數(shù)據(jù)與仿真結(jié)果進行了對比和誤差分析。文中的研究結(jié)果對后續(xù)的熱仿真分析和優(yōu)化具有重要的指導(dǎo)意義。

集裝箱；Flotherm；熱分析；熱測試

引 言

隨著電子設(shè)備封裝形式及性能的不斷提升，電子設(shè)備正不斷向復(fù)合化和集成化的方向發(fā)展，現(xiàn)代電子設(shè)備正日益成為由高密度組裝、微組裝所形成的集成系統(tǒng)，集裝箱已成為電子設(shè)備發(fā)展的一種趨勢。集裝箱長期在高溫環(huán)境下運行，為了保證其在惡劣環(huán)境下的正常工作，需對集裝箱采取密閉設(shè)計，而集裝箱工作時，輸出功率僅為輸入功率的一部分，很大部分的損失功率以熱能的形式耗散出去，從而造成元器件的結(jié)點溫度急劇升高，當(dāng)超過器件的安全結(jié)溫時就會導(dǎo)致元件失效。研究表明，功率器件的失效率隨器件溫度呈指數(shù)關(guān)系增長[1]，溫升50 ℃的壽命只有溫升25 ℃的1/6，超過55%的電子設(shè)備失效形式是由溫度過高引起的[2]。在實際工作中，可能會因為熱量不能及時排出，器件溫度過高甚至被燒毀而影響電路的可靠性和壽命[3]。因此，集裝箱熱設(shè)計的合理化將直接影響到系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性和壽命。

Flotherm采用成熟的流體動力學(xué)和傳熱學(xué)仿真技術(shù)，擁有大量專門針對電子工業(yè)開發(fā)的模型庫，已廣泛應(yīng)用于電子設(shè)備的模擬仿真[4]。本文基于Flotherm軟件對集裝箱的系統(tǒng)散熱進行熱分析，對系統(tǒng)的壓力分布及模塊的溫度分布進行了模擬仿真，對集裝箱的結(jié)構(gòu)設(shè)計具有很大的指導(dǎo)意義。

1 熱傳導(dǎo)理論概述

1.1 物理模型

可將整個集裝箱系統(tǒng)看成由發(fā)熱體和散熱體組成。熱分析的主要目標(biāo)是將元器件即發(fā)熱體產(chǎn)生的熱經(jīng)散熱體快速傳至系統(tǒng)外，以保證整個系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性。在電力設(shè)備中，常見的發(fā)熱體包括二極管、IGBT模塊、半導(dǎo)體器件、電阻和電感等元器件。常見的散熱體有導(dǎo)熱硅脂、散熱器和PCB板等。熱量主要以熱傳導(dǎo)、對流換熱以及輻射3種方式傳遞到周圍環(huán)境，集裝箱的散熱主要以對流換熱及熱傳導(dǎo)為主。電力設(shè)備散熱的基本原理如圖1所示。

圖1 散熱原理圖

1.2 熱傳遞的基本方式及理論

根據(jù)傳熱機理的不同，熱傳遞可分為3種基本方式：熱傳導(dǎo)、熱對流和熱輻射[5]。這3種方式可以單獨出現(xiàn)也可以同時出現(xiàn)。本文研究的集裝箱系統(tǒng)熱設(shè)計中也包括這3種熱傳遞方式，但因在集裝箱結(jié)構(gòu)設(shè)計中采用了保溫層3層結(jié)構(gòu)設(shè)計及其他結(jié)構(gòu)方面的優(yōu)化，輻射換熱占整個系統(tǒng)散熱的比重小于5%，可忽略不計，因此本文主要涉及熱傳導(dǎo)及熱對流2種熱傳遞方式。

1.2.1 熱傳導(dǎo)

熱傳導(dǎo)是指物體各部分不發(fā)生相對位移時，依靠分子、原子及自由電子等微觀粒子的熱運動而產(chǎn)生的熱量傳遞，熱傳導(dǎo)的原理可用傅里葉定律來描述，其數(shù)學(xué)表達(dá)式如下：

1.2.2 熱對流

熱對流是指與流體接觸的固體表面和流體具有不同溫度時發(fā)生的熱量轉(zhuǎn)移過程。對流換熱按其產(chǎn)生流動原因的不同可分為自然對流和強迫對流。自然對流是由于流體冷熱各部分的密度不同或局部加熱造成流體中的溫差所致，而強迫對流則是由于外力(風(fēng)機、水泵等)迫使流體流動。本文集裝箱的換熱主要涉及強迫對流，其數(shù)學(xué)表達(dá)式如下：

φ=αAΔt

式中：α為對流換熱表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)；A為換熱面積；Δt為流體與壁面的溫差。

2 數(shù)值模擬

2.1 模型及邊界條件

集裝箱如圖2所示，共有120個模塊，由3相組成，每相含40個模塊。

圖2 集裝箱模型

由于模塊中的IGBT為主要發(fā)熱器件，本文忽略啟動柜、控制柜等產(chǎn)生的熱量，對模塊部分使用Flotherm建立模型并進行熱仿真。為了節(jié)省計算資源，提高計算效率，本文選取其中一相進行Flotherm熱仿真分析，每相的40個模塊分成6組，其中最后1組含有5個模塊，其余組均含有7個模塊，每個模塊由4個IGBT及2臺散熱器組成，其中每2個IGBT封裝使用1臺散熱器對其進行散熱。根據(jù)系統(tǒng)的總損耗，通過理論計算得出系統(tǒng)總風(fēng)量，對整個系統(tǒng)預(yù)設(shè)5臺風(fēng)機進行整機散熱。由于集裝箱內(nèi)模塊數(shù)量較多，系統(tǒng)阻力大，因此，采用前進風(fēng)后出風(fēng)抽風(fēng)式散熱。

使用Flotherm建立熱仿真模型，如圖3所示。

圖3 機柜單元Flotherm模型

機柜幾何尺寸為6 000 mm × 2 742 mm × 2 800 mm(長×寬×高，包括風(fēng)機)，前側(cè)設(shè)有3個進風(fēng)口對模塊進行強迫風(fēng)冷散熱，尺寸均為1 600 mm × 1 500 mm，模塊風(fēng)機位于后部風(fēng)腔，出風(fēng)口尺寸為650 mm × 410 mm。模塊散熱氣流從前側(cè)進風(fēng)口進入，經(jīng)散熱器對模塊進行散熱后流入后部風(fēng)腔，由后側(cè)風(fēng)機抽出。按照設(shè)計要求，每個模塊的熱功耗為618.4 W，要求芯片的最高溫度控制在130 ℃內(nèi)，推算得到散熱器的臺面溫度不得超過112 ℃，計算得出初選風(fēng)機風(fēng)量為5 000 m3/h。

采用Flotherm進行熱仿真，軟件本身采用SMPLE算法迭代，網(wǎng)格劃分采用有限體積法。設(shè)定系統(tǒng)環(huán)境溫度為50 ℃，壓力為1個標(biāo)準(zhǔn)大氣壓。本文對機柜進行仿真時采用強迫空氣冷卻，計算時忽略輻射的影響。50 ℃下空氣的物理特性見表1。

表1 50 ℃空氣的物理特性

注：ρ為密度；cp為定壓比熱容；λ為導(dǎo)熱系數(shù)；μ為動力粘性系數(shù)。

材料的性質(zhì)在熱分析中占有舉足輕重的地位，特別是在散熱模組達(dá)到臨界點之后，材料的影響就更重要了。機箱外殼一般采用鋁合金，而純鋁的導(dǎo)熱系數(shù)比較大，散熱器采用Al6063。

2.2 網(wǎng)格劃分

數(shù)值模擬中，網(wǎng)格的質(zhì)量直接影響到求解的精度和可靠性。系統(tǒng)中高熱量元器件的存在使得求解域內(nèi)的熱量分布不均，因此對散熱器、熱源等高熱量元器件施加網(wǎng)格約束進行局部加密，其他地方網(wǎng)格可適當(dāng)稀疏，從而在保證求解精度的前提下又極大地縮短求解時間。機柜局部網(wǎng)格劃分如圖4所示。

圖4 機柜單元局部網(wǎng)格劃分

2.3 數(shù)值模擬結(jié)果及分析

利用Flotherm對單元進行模擬仿真，系統(tǒng)壓力分布如圖5所示。

圖5 系統(tǒng)壓力分布圖

整個系統(tǒng)采用抽風(fēng)的方式進行散熱，因此系統(tǒng)內(nèi)的壓力均為負(fù)壓。負(fù)壓最大處為風(fēng)機的進風(fēng)口位置，達(dá)到-621 Pa，風(fēng)機入口周圍負(fù)壓區(qū)域較大，整個風(fēng)機的壓力均相對較大。單元內(nèi)各散熱器的壓力分布基本一致，且7排模塊散熱器的進出口壓力也基本相近，散熱器入口壓力約為-140Pa，出口壓力約為-315Pa，空氣流經(jīng)散熱器的阻力損失為175 Pa。此時通過5臺風(fēng)機的最小風(fēng)量為7 413.84 m3/h，對應(yīng)的工作壓力為367.74 Pa，風(fēng)機的工作曲線如圖6所示。此時通過單個模塊的最小風(fēng)量為402.2 m3/h，在進行模塊仿真時預(yù)留10%裕量，因此使用Flotherm對風(fēng)量為360 m3/h時的模塊進行仿真，散熱器臺面溫度分布如圖7所示?？梢?，散熱器臺面溫度最高達(dá)到95.2℃，并且2個IGBT下部散熱器的溫度分布基本相同，推算得到IGBT結(jié)溫為112.6 ℃，小于設(shè)計溫度130 ℃，并留有合理裕量，可滿足系統(tǒng)散熱要求。

圖6 風(fēng)機工作曲線

圖7 風(fēng)量為360 m3/h時散熱器臺面溫度分布

3 測試結(jié)果及誤差分析

為了驗證Flotherm對集裝箱進行熱仿真的準(zhǔn)確性，本文對集裝箱風(fēng)量進行測試，對比仿真結(jié)果及測試結(jié)果，在此基礎(chǔ)上進行了誤差分析，為后續(xù)仿真的優(yōu)化提供數(shù)據(jù)上的支持。測試時只測A相，風(fēng)機安裝在集裝箱內(nèi)并保證所有模塊全部安裝，集裝箱大門關(guān)閉。在保證上述條件的情況下，使用風(fēng)速測試儀對模塊出風(fēng)口處的風(fēng)速進行測試，并根據(jù)風(fēng)量為風(fēng)速與出風(fēng)面積之積的關(guān)系計算得到風(fēng)量，并與仿真結(jié)果進行對比。表2為A相風(fēng)速測試結(jié)果，表3為仿真結(jié)果中通過A相每個模塊的風(fēng)量，表4為計算出的實際測試結(jié)果與仿真結(jié)果誤差。

表2 A相風(fēng)速測試數(shù)據(jù) m/s

模塊組1組2組3組4組5組616.846.477.586.657.437.106.817.047.286.78——26.686.516.537.026.866.636.797.016.956.75——36.416.416.266.766.907.066.866.697.327.117.247.1346.447.076.576.506.716.726.886.846.886.406.986.8256.636.716.336.586.676.656.706.757.016.656.667.4066.757.316.786.336.987.136.486.937.037.026.606.8076.596.906.446.546.806.856.976.876.666.806.896.37

表3 A相仿真風(fēng)量 m3/h

模塊組1組2組3組4組5組61504510498510505514506515510517——2436439440456431446434445433449——34534644674794514654544634584654985084454466469480452465454463459465460471545546846848145446645646445746746146964574704764834584724614704664744674757416427427431419428419427422429423430

表4 測試結(jié)果與仿真結(jié)果誤差 %

模塊組1組2組3組4組5組6113.7121.641.3918.354.8911.7214.6612.898.1117.68——20.724.073.980.243.043.811.362.043.852.65——39.0611.7115.129.350.871.642.136.803.440.936.159.9548.791.7210.1613.963.956.781.834.462.9612.121.706.5855.917.6314.1012.815.048.145.036.080.618.376.822.1964.480.788.3417.751.262.169.794.662.304.209.197.8072.584.502.321.704.913.587.234.082.222.645.264.17

由表4可知，最大誤差為21.64%，平均誤差為6.31%，且通過底部模塊的風(fēng)量最小。由此可見，使用Flotherm進行的熱仿真和實際測量存在一定的偏差，可能原因包括：1)測試實體集裝箱某些位置存在漏風(fēng)現(xiàn)象；2)計算風(fēng)量時須以平均風(fēng)速來計算，而測量風(fēng)速時儀器的偏差、風(fēng)速分布不均勻及測試的位置不同都會帶來誤差；3)使用Flotherm進行仿真時，集裝箱柜體、模塊、風(fēng)機和散熱器采用的都是簡化模型，與實際的集裝箱存在差異；4)仿真邊界條件理想化，而實際測量時，測量值受到周圍環(huán)境的影響。基于以上誤差分析，在后續(xù)進行熱仿真分析時，考慮最差風(fēng)量即最底部模塊風(fēng)量是否達(dá)到散熱要求。此外，進行模塊仿真時可以在系統(tǒng)風(fēng)量的基礎(chǔ)上減去10%再去評估模塊風(fēng)量是否達(dá)到要求。

4 結(jié)束語

使用Flotherm對系統(tǒng)進行熱仿真，獲得系統(tǒng)的壓力、溫度分布及系統(tǒng)的阻力特性，有助于在工程實際中為電力電子設(shè)備散熱設(shè)計問題提供可靠的理論基礎(chǔ)，從而準(zhǔn)確評估實際工況的壓力、溫度分布以及風(fēng)機工作點，以確定最佳設(shè)計方案。本文通過對測試和仿真結(jié)果進行對比，為后續(xù)仿真的優(yōu)化提供了可靠的參考。此外，采用Flotherm進行產(chǎn)品前期的熱設(shè)計，有助于確定經(jīng)濟、可靠的產(chǎn)品設(shè)計方案，并且可有效地解決實驗研究周期長和成本高的問題。

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[5] 楊世銘, 陶文銓. 傳熱學(xué)[M]. 北京: 高等教育出版社, 2006.

李亞梅(1987-)，女，碩士，主要從事電力電子設(shè)備熱設(shè)計及熱測試工作。

Container Heat Dissipation Design Based on Flotherm

LI Ya-mei1,2，LIU Wei-zeng1,2，TIAN Xing1,2，ZHANG Chang-shui1,2，ZHANG Peng1,2，ZHANG Jin1,2

(1.TBEASunoasisCo.,Ltd.,Urumchi830011,China；2.TBEAXi′anFlexiblePowerT&DCo.,Ltd.,Xi′an710119,China)

Flotherm has been widely applied in the simulations of electronic equipment. It can simulate the distribution of temperature and pressure well. In this paper the thermal simulation of container is done by Flotherm to obtain the distribution of temperature and pressure. Reasonable heat dissipation scheme and the selection of heat sink and fans are determined according to the simulation results. Thermal test for the container is also carried out. Test data are compared with simulation results to analyze the error. The research results have important guiding significance for subsequent thermal simulation analysis and optimization.

container; Flotherm; thermal analysis; thermal test

2015-07-20

TK124

A

1008-5300(2016)01-0005-04