應(yīng)用于大功率器件的散熱裝置設(shè)計(jì)

張劍冰

（中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司第七二三研究所，江蘇揚(yáng)州 225001）

0 引言

溫度是影響電子設(shè)備性能的重要因素，隨著電子設(shè)備的熱耗加大，散熱裝置的應(yīng)用更加廣泛，散熱方式也更多樣化；對(duì)于艦載平臺(tái)中的散熱設(shè)計(jì)，其設(shè)計(jì)空間、設(shè)備重量均有嚴(yán)格限制，同時(shí)對(duì)設(shè)備的可靠性、維修性、環(huán)境適應(yīng)性也非?？量蹋?］。液冷、風(fēng)冷不同散熱形式各有優(yōu)缺點(diǎn)，風(fēng)冷由于結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、價(jià)格低廉、可靠性高，具有其優(yōu)勢(shì)［2］。

高效散熱裝置的研究主要包括傳熱路徑結(jié)構(gòu)優(yōu)化、流體流動(dòng)優(yōu)化設(shè)計(jì)等，針對(duì)熱量比較集中區(qū)域采用熱管或均熱板形式進(jìn)行快速導(dǎo)熱，將集中熱量擴(kuò)散到更大區(qū)域進(jìn)行散熱。國(guó)內(nèi)外諸多文獻(xiàn)對(duì)肋片式散熱器、熱管傳熱性能、均溫板等進(jìn)行了研究。本文基于研究現(xiàn)有理論，結(jié)合項(xiàng)目實(shí)際特點(diǎn)和需求進(jìn)行了傳熱路徑和流體流動(dòng)優(yōu)化設(shè)計(jì)［3－5］。

1 問(wèn)題描述

某大功率行波管安裝于高頻箱內(nèi)，高頻箱為艙外設(shè)備，環(huán)境溫度為50℃，單個(gè)行波管發(fā)熱量為500 W，行波管最大工作溫度為90℃。通常對(duì)于大功率電子設(shè)備采用液體冷卻方式，行波管直接貼裝在冷板表面，通過(guò)液體循環(huán)將熱量帶走，或者在設(shè)備箱體外掛空調(diào)系統(tǒng)，通過(guò)空調(diào)系統(tǒng)把設(shè)備熱量帶出。無(wú)論是液冷方式還是空調(diào)冷卻方式都需要增加外部設(shè)備，使得設(shè)備重量增加，體積龐大，成本高、維修性差。通過(guò)合理布置高導(dǎo)熱率的熱管，將行波管熱量迅速傳到至整個(gè)散熱器殼體，風(fēng)機(jī)吸入環(huán)境風(fēng)流經(jīng)由散熱翅片和蓋板組成的風(fēng)道，將熱量傳導(dǎo)至環(huán)境。

2 數(shù)學(xué)模型

散熱器的基本功能就是為電子元器件或設(shè)備的散熱提供一個(gè)路徑，將其工作過(guò)程中產(chǎn)生的熱量迅速傳遞至散熱器，散熱器再通過(guò)翅片與周?chē)諝膺M(jìn)行熱交換，使電子設(shè)備能夠在熱環(huán)境下正常工作。

傳熱的基本計(jì)算公式為：

式中：Ф為熱流量，W；K為總傳熱系數(shù)，W／（m2·℃）；A為傳熱面積，m2；Δt為熱流體與冷流體之間的溫差，℃。

熱傳導(dǎo)也可稱(chēng)之為導(dǎo)熱。導(dǎo)熱發(fā)生在相互接觸并且滿足溫度不同的物體之間，亦或者發(fā)生在同一個(gè)物體，但內(nèi)部溫度不同的各部分之間，熱能的傳遞依靠分子、原子以及自由電子等微觀粒子的熱運(yùn)動(dòng)。導(dǎo)熱的基本定律就是傅里葉定律：在導(dǎo)熱過(guò)程中，單位時(shí)間內(nèi)通過(guò)導(dǎo)熱截面的熱量，與垂直該截面方向上的溫度變化率和截面面積成正比，而與熱量傳遞的方向與溫度升高的方向相反，計(jì)算公式為：

式中：q為熱流密度，W／m2；Ф為熱流量，W；A為與熱流方向垂直的面積，m2；λ為導(dǎo)熱系數(shù)，W／（m·℃）；dt／dx為熱量沿X方向傳遞的溫度變化率。

風(fēng)機(jī)環(huán)境風(fēng)流經(jīng)散熱器表面與散熱器產(chǎn)生強(qiáng)迫對(duì)流換熱，將熱量最終導(dǎo)入到環(huán)境中。對(duì)流換熱的冷卻公式為：

式中：h為對(duì)流換熱系數(shù)，W／（m2·℃）；A為散熱器具備的對(duì)流換熱面積，m2；tw為散熱器表面的溫度，℃；tf為冷卻流體的溫度（環(huán)境溫度），℃。

3 散熱器形式確定

高頻箱散熱器結(jié)構(gòu)如圖1所示。經(jīng)過(guò)換熱計(jì)算，初步確定散熱器形式，散熱器的結(jié)構(gòu)如圖2所示。散熱器齒寬3 mm，齒高76 mm，齒間距7 mm。

圖1 高頻箱散熱器結(jié)構(gòu)圖

圖2 厘米波散熱器結(jié)構(gòu)及熱耗示意圖

具有風(fēng)機(jī)走線槽，風(fēng)機(jī)引線通過(guò)壓線夾固定在走線槽里，走線槽圓滑過(guò)渡。行波管安裝凸臺(tái)開(kāi)有熱管安裝槽，安裝面精加工，接觸面均勻涂抹導(dǎo)熱硅脂以減小接觸熱阻，嵌入熱管后保證熱管平面與行波管安裝凸臺(tái)平面平齊。

應(yīng)用于大功率的散熱裝置由散熱器殼體、散熱器蓋板、通風(fēng)板、防水風(fēng)機(jī)、熱管等組成。散熱器殼體翅片頂部設(shè)置有蓋板；散熱器殼體翅片端面設(shè)置有通風(fēng)板用于過(guò)濾雜質(zhì)；散熱器殼體翅片另一端面安裝有4個(gè)防水防鹽霧風(fēng)機(jī)抽取自然風(fēng)流經(jīng)由散熱器殼體翅片及蓋板組成的風(fēng)道，強(qiáng)迫對(duì)流換熱；散熱器殼體行波管安裝凸臺(tái)嵌有6根熱管，熱管導(dǎo)熱性能好，具有均溫效果，能加強(qiáng)換熱效果。

散熱器殼體翅片端面安裝有4個(gè)防水防鹽霧風(fēng)機(jī)，另一端面安裝有通風(fēng)板，頂部安裝有蓋板，形成風(fēng)道，減少風(fēng)量損失，增強(qiáng)了換熱效果。行波管安裝凸臺(tái)上嵌有6根熱管，熱管兩端通過(guò)壓板壓住，熱管導(dǎo)熱性能好，能迅速傳導(dǎo)熱量，具有均溫效果。

殼體的熱量通過(guò)對(duì)流換熱方式帶走，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，使用方便，散熱效果明顯。

4 仿真計(jì)算

通過(guò)合理布置熱管，優(yōu)化散熱器殼體翅片高度、寬度、間距，提高換熱效率。行波管熱量通過(guò)熱管加強(qiáng)熱傳導(dǎo)效果，迅速傳到至整個(gè)散熱器殼體，風(fēng)機(jī)吸入環(huán)境風(fēng)流經(jīng)由散熱翅片和蓋板組成的風(fēng)道，將傳導(dǎo)至散熱器殼體的熱量通過(guò)對(duì)流換熱方式帶走，整個(gè)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，使用方便，散熱效果明顯。

4.1 參數(shù)設(shè)置

合理選擇計(jì)算域，保證流體充分發(fā)展，減少計(jì)算域大小對(duì)計(jì)算結(jié)果準(zhǔn)確度的影響，在流體方向上計(jì)算域長(zhǎng)度為物體長(zhǎng)度15倍，另外兩個(gè)方向?yàn)?～10倍。采用結(jié)構(gòu)網(wǎng)格對(duì)計(jì)算域流體進(jìn)行網(wǎng)格劃分。在計(jì)算域中采用由面到體的逐級(jí)劃分網(wǎng)格，對(duì)壁面進(jìn)行細(xì)化，在壁面處對(duì)網(wǎng)格進(jìn)行加密處理，使得流場(chǎng)求解更為細(xì)致，結(jié)果更準(zhǔn)確，減少網(wǎng)格對(duì)仿真結(jié)果的影響。

采用速度進(jìn)口邊界條件和完全發(fā)展出流邊界條件。流動(dòng)選擇為不可壓縮流，密度為常數(shù)。

控制方程：質(zhì)量連續(xù)方程和N－S方程，因無(wú)熱交換，所以不考慮能量方程。采用有限體積法對(duì)控制方程進(jìn)行離散化的處理，即采用有限體積的方法將微分方程分解成一系列關(guān)于多個(gè)變量的非線性耦合代數(shù)的方程組，采用一階迎風(fēng)格式實(shí)現(xiàn)對(duì)流項(xiàng)離散，采用具有一階精度的中心差分格式進(jìn)行離散擴(kuò)散項(xiàng)，采用SIMPLE算法對(duì)壓力－速度耦合方程進(jìn)行求解，對(duì)流場(chǎng)進(jìn)行了初始化，通過(guò)迭代計(jì)算得到流場(chǎng)數(shù)據(jù)和溫度分布。

4.2 計(jì)算結(jié)果

行波管安裝在散熱器之上，安裝表面嵌入6根熱管，熱管導(dǎo)熱系數(shù)取1 000 W／（m·K），經(jīng)仿真形成圖3～5所示的仿真結(jié)果。采用某軟件對(duì)散熱器進(jìn)行仿真，確定散熱方案的符合性。

圖3 散熱器溫度分布

圖4 厘米波行波管溫度分布

如圖4所示，厘米波行波管安裝表面最高溫度為89℃左右，溫度較高區(qū)域集中在發(fā)熱區(qū)域。

圖5 毫米波散熱器表面溫度分布

如圖5所示，毫米波行波管安裝面最高溫度為84℃左右。

仿真結(jié)果表明：該散熱器方案可行，散熱效率高，滿足某行波管安裝表面不高于90℃的散熱要求。

5 結(jié)束語(yǔ)

經(jīng)過(guò)計(jì)算與仿真驗(yàn)證，得到滿足大功率器件散熱需求的散熱方案和結(jié)構(gòu)形式，其優(yōu)點(diǎn)如下。

（1）換熱效率高及經(jīng)濟(jì)實(shí)用性好。采用熱傳導(dǎo)、輻射和強(qiáng)迫空氣對(duì)流散熱相結(jié)合的結(jié)構(gòu)形式，散熱效果較好，避免采用液冷設(shè)備和空調(diào)設(shè)備，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本降低。

（2）維護(hù)使用方便。蓋板、通風(fēng)板通過(guò)螺釘直接固定在散熱器殼體；防水風(fēng)機(jī)直接螺釘緊定在散熱器殼體翅片端面，可直接拆卸，維護(hù)使用方便。

（3）可靠性高。散熱器殼體整體加工成型，結(jié)構(gòu)件強(qiáng)度和剛度滿足相關(guān)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，抗震抗沖擊性能優(yōu)越，不易損壞，可靠性高；防水風(fēng)機(jī)安裝在散熱器殼體端面，維修性好。