射頻烹飪器具關(guān)鍵組件散熱技術(shù)研究

陳宗龍 蔣學(xué)松 陳禮康 鄧洋

廣東美的廚房電器制作有限公司 廣東佛山 528311

1 引言

隨著加熱技術(shù)的不斷發(fā)展，傳統(tǒng)的烹飪器具已不能滿足高品質(zhì)烹飪需求；目前市場(chǎng)上的微波爐均采用磁控管產(chǎn)生微波，將其饋入腔體后，對(duì)食物進(jìn)行加熱；然而磁控管具有體積大、電壓高、加熱不均勻等缺點(diǎn)，因此新型的射頻烹飪器具采用固態(tài)源作為其能量發(fā)生裝置來(lái)烹飪食材。而固態(tài)源在工作過(guò)程中，射頻電路放大部分特別是功率芯片位置會(huì)產(chǎn)生大量的熱量，如果這些熱量不能及時(shí)散去，會(huì)影響芯片的效率和可靠性，導(dǎo)致固態(tài)源各項(xiàng)性能指標(biāo)下降等情況發(fā)生，最終影響射頻烹飪器具的烹飪效果[1-4]。

基于雙固態(tài)源的射頻加熱系統(tǒng)的散熱設(shè)計(jì)，其熱耗主要來(lái)源于固態(tài)源[5]及為其供電的ACDC（交流轉(zhuǎn)直流）電源，本文提出了一種雙層引流高效散熱措施，即風(fēng)扇同時(shí)對(duì)ACDC電源和雙固態(tài)源進(jìn)行散熱，旨在實(shí)現(xiàn)更緊湊、更高效的散熱，具體如圖1所示。

圖1 射頻加熱系統(tǒng)散熱示意圖

圖1所示為一種射頻加熱系統(tǒng)散熱示意圖，主要由雙固態(tài)源、ACDC電源、風(fēng)扇及導(dǎo)風(fēng)罩等部分組成；其結(jié)構(gòu)尺寸為長(zhǎng)（450 mm）×寬（280 mm）×高（110 mm），需要耗散的總熱耗功率600 W，ACDC電源100 W，雙固態(tài)源500 W。在結(jié)構(gòu)尺寸和總熱耗限制的條件下，影響其散熱的因素可以分為固態(tài)源、ACDC電源、風(fēng)道、風(fēng)扇、風(fēng)量配比、出風(fēng)口、進(jìn)風(fēng)口及系統(tǒng)工作環(huán)境等部分，現(xiàn)分別對(duì)以上各部分進(jìn)行詳細(xì)闡述。

2 射頻加熱系統(tǒng)散熱設(shè)計(jì)

2.1 固態(tài)源散熱設(shè)計(jì)

射頻加熱系統(tǒng)的大部分熱耗來(lái)源于固態(tài)源，而固態(tài)源的熱耗主要由其內(nèi)部的射頻放大芯片產(chǎn)生，其功率芯片產(chǎn)生的電磁場(chǎng)能量作為有用功用于烹飪食物外，另外一部分無(wú)用功轉(zhuǎn)換成了熱量。為了有效提高固態(tài)源的各項(xiàng)性能指標(biāo)，目前在解決固態(tài)源的散熱設(shè)計(jì)中，有金屬鋁型材銅材散熱器、熱管、均熱板、水冷、油冷等諸多方案，考慮到結(jié)構(gòu)尺寸、成本、裝配、指標(biāo)及實(shí)現(xiàn)方式等方面，現(xiàn)采用一種基于金屬鋁型材的局部嵌銅方案[6-7]，旨在將第一高熱點(diǎn)的熱量快速傳遞到散熱性能更好的銅基板上。

由于烹飪器具電器室總高度為110 mm，除去電氣安全間隙及導(dǎo)風(fēng)罩厚度等因素，實(shí)際ACDC電源高40 mm，固態(tài)源（含散熱器）的高度為60 mm，在不改變固態(tài)源整體高度的情況下，通過(guò)調(diào)整固態(tài)源模塊、散熱器尺寸及其安裝方式來(lái)實(shí)現(xiàn)。

2.1.1 散熱齒高度

圖2 散熱器散熱齒高度對(duì)芯片襯底溫升的影響

如圖2所示，鋁型材散熱器尺寸：240 mm×120 mm×44 mm，材質(zhì)6063-T5，散熱器平板厚度8 mm；隨著散熱齒的高度增加，散熱效果會(huì)變好，當(dāng)散熱齒太短，溫度擴(kuò)散的面積不夠，需要風(fēng)量更大，才能導(dǎo)出相同的熱量。圖2a)中散熱齒的高度為36 mm，圖2b)散熱齒的高度為41 mm。當(dāng)散熱齒的高度增加并超過(guò)一定限值時(shí)，其熱量的擴(kuò)散傳不到齒的頂部，所帶來(lái)的效果不明顯，同時(shí)影響射頻功放板盒體的高度。從仿真數(shù)據(jù)可以看出，散熱齒高度從36 mm增加到41 mm時(shí)，溫度只下降了1.3℃，考慮到固態(tài)源（含散熱器）高度為60 mm不做更改，射頻功放板的盒體高度為16 mm，因此還是選擇散熱齒高度為36 mm的散熱器，避免因射頻功放板的盒體高度太低導(dǎo)致自激不穩(wěn)定的現(xiàn)象發(fā)生。

2.1.2 散熱器局部嵌銅

現(xiàn)有部分散熱器平板厚度約為8 mm，因此可以嵌入4 mm厚度的銅塊，如圖3所示。

圖3 散熱器局部嵌銅對(duì)襯底溫升的影響

采用局部嵌銅的方案進(jìn)行散熱，在金屬鋁材料的散熱器中局部嵌入帶有印制板的銅基板組件，射頻功率芯片焊接到銅基板上，射頻其他部分的印制板焊接或粘貼在銅基板上；采用局部嵌入的方案，減少銅塊的面積，降低散熱成本；使用高熱傳導(dǎo)系數(shù)的銅材或其他材料，旨在快速將射頻放大芯片的熱量擴(kuò)散至銅基板上，同時(shí)通過(guò)銅基板再傳導(dǎo)到帶齒槽的鋁合金材質(zhì)的散熱器上，有效解決高密度散熱問題，仿真數(shù)據(jù)如圖3所示，溫度下降3.5℃，同時(shí)還保持散熱器高度、射頻功放盒體高度、固態(tài)源總高度不變。

2.1.3 散熱齒數(shù)目

散熱器齒條數(shù)和齒條厚度及齒條間距存在相互關(guān)系，在風(fēng)量和熱耗確定的情況下，齒條數(shù)增加，有利于散熱，同樣在確定的使用環(huán)境中，它們之間存在一個(gè)最佳數(shù)值。

圖4 散熱器齒條數(shù)目對(duì)襯底溫升的影響

由圖4可以看出，散熱器齒條數(shù)在一定范圍內(nèi)增加，可以有效的提高散熱能力；當(dāng)散熱器齒條數(shù)繼續(xù)增加，齒條間距縮小，就會(huì)增加風(fēng)阻，不利于散熱。同時(shí)結(jié)合仿真數(shù)據(jù)和市場(chǎng)標(biāo)準(zhǔn)型材兩方面因素，選取齒條數(shù)為51個(gè)的標(biāo)準(zhǔn)型材散熱器，降低固態(tài)源散熱器的成本和技術(shù)要求。

固態(tài)源通過(guò)散熱器采用局部嵌銅、調(diào)節(jié)散熱齒高度和散熱齒數(shù)目三種措施，使得雙固態(tài)源芯片襯底溫度下降了8.8℃，實(shí)測(cè)下降了6℃，具有一定的改善效果。

2.2 ACDC電源散熱設(shè)計(jì)

ACDC電源為固態(tài)源提供直流低電壓，常見的ACDC電源自帶散熱風(fēng)扇，此散熱風(fēng)扇體積小、轉(zhuǎn)速快、噪聲高；ACDC電源散熱設(shè)計(jì)首先考慮要滿足烹飪器具噪聲標(biāo)準(zhǔn)的要求，因此選用不含冷卻風(fēng)扇的ACDC電源，采用雙固態(tài)源和ACDC電源非平衡比上下同步散熱技術(shù)，電源的散熱設(shè)計(jì)主要包括高熱耗器件的熱傳遞和風(fēng)道的設(shè)計(jì)兩部分，高熱耗器件主要采取的措施是固定在金屬鋁材散熱器上。其次散熱器齒條空隙的方向與風(fēng)道流向一致，旨在快速將熱量帶出。同時(shí)ACDC電源內(nèi)部器件密度較高，考慮其熱設(shè)計(jì)需求，設(shè)計(jì)之初，預(yù)留一定的間隙，使風(fēng)能吹進(jìn)電源內(nèi)部，并進(jìn)入導(dǎo)風(fēng)罩，隨烹飪器具出口吹出。ACDC電源散熱示意圖如圖5所示。

圖5 ACDC電源散熱示意圖

2.3 風(fēng)道散熱設(shè)計(jì)

風(fēng)道散熱設(shè)計(jì)，直接體現(xiàn)在導(dǎo)風(fēng)罩的設(shè)計(jì)上面，導(dǎo)風(fēng)罩的設(shè)計(jì)兼顧固態(tài)源、ACDC電源、風(fēng)量配比、出風(fēng)口等諸多因素，最重要的是使風(fēng)流更通暢。

圖6 風(fēng)道散熱設(shè)計(jì)對(duì)襯底溫升的影響

由圖6可以看出，圖6a)所示開始導(dǎo)風(fēng)罩的風(fēng)流動(dòng)紊亂，且出風(fēng)集中在一側(cè)，散熱器兩側(cè)溫差最大20℃左右。圖6b)經(jīng)過(guò)仿真優(yōu)化后的風(fēng)道設(shè)計(jì)，出風(fēng)均勻，其內(nèi)部固態(tài)源第一高熱點(diǎn)溫度下降18℃，實(shí)際測(cè)試結(jié)果15℃左右。因此，風(fēng)道、導(dǎo)風(fēng)罩的設(shè)計(jì)是射頻加熱系統(tǒng)關(guān)鍵的步驟。

2.4 風(fēng)扇風(fēng)量

風(fēng)扇風(fēng)量的大小指的是送入導(dǎo)風(fēng)罩風(fēng)量的大小，當(dāng)風(fēng)量越大，風(fēng)速越快，熱量交換的速度越快，帶走的熱耗就會(huì)越多，越有利于模塊的散熱設(shè)計(jì)。

冷卻風(fēng)扇外形尺寸280 mm×105 mm×105 mm，最大風(fēng)量160 CFM，轉(zhuǎn)速2100 rpm，220 V/0.3 A。

由圖7可以看出，當(dāng)風(fēng)扇風(fēng)量由130 CFM增加到160 CFM時(shí)，熱點(diǎn)的溫度下降5℃左右，通常風(fēng)量越大，熱點(diǎn)的溫度越低，但隨著風(fēng)扇風(fēng)量的增大，風(fēng)扇帶來(lái)的噪聲也會(huì)越大，因此在滿足整機(jī)噪聲標(biāo)準(zhǔn)的情況下，選擇風(fēng)量較大的冷卻風(fēng)扇。

圖7 風(fēng)扇風(fēng)量大小設(shè)計(jì)仿真圖

2.5 進(jìn)風(fēng)口、出風(fēng)口散熱設(shè)計(jì)

進(jìn)風(fēng)口指風(fēng)扇的進(jìn)風(fēng)口，通過(guò)增大烹飪器具外罩進(jìn)風(fēng)口孔徑的大小和數(shù)量，則進(jìn)風(fēng)的溫度越低；通過(guò)風(fēng)扇進(jìn)風(fēng)口與烹飪器具外罩進(jìn)風(fēng)孔之間盡可能不要放置其他部件，則進(jìn)風(fēng)越流暢；ACDC電源和固態(tài)源的工作環(huán)境溫度越低，散熱設(shè)計(jì)性能越好。如圖8所示，出風(fēng)口指的是導(dǎo)風(fēng)罩出風(fēng)口，同時(shí)也是烹飪器具的出風(fēng)口，其風(fēng)口的大小和出風(fēng)的流暢性同樣影響模塊的工作環(huán)境溫度。

圖8 出風(fēng)口設(shè)計(jì)仿真圖

2.6 風(fēng)量配比設(shè)計(jì)

由圖1可以看出，本射頻加熱系統(tǒng)采用雙層引流高效散熱設(shè)計(jì)，其中風(fēng)扇同時(shí)給ACDC電源和固態(tài)源進(jìn)行散熱，由于固態(tài)源是產(chǎn)生熱耗最多的器件，因此75%的風(fēng)量經(jīng)過(guò)固態(tài)源到出風(fēng)口，隨著風(fēng)扇的旋轉(zhuǎn)，25%的風(fēng)量由底部帶入到ACDC電源中，調(diào)節(jié)風(fēng)量的配比及出風(fēng)均勻，可以優(yōu)化ACDC和固態(tài)源的工作環(huán)境，提升射頻加熱系統(tǒng)的各項(xiàng)性能。

3 仿真與實(shí)測(cè)對(duì)比

采用三維穩(wěn)態(tài)不可壓縮流動(dòng)，選擇realizable two-equation湍流模型，環(huán)境溫度25℃，監(jiān)測(cè)射頻功放芯片襯底溫度點(diǎn)，仿真射頻加熱系統(tǒng)總熱耗600 W情況下監(jiān)測(cè)點(diǎn)的溫度狀況，仿真結(jié)果如圖1～圖8所示。

按照?qǐng)D9所示進(jìn)行測(cè)試，表1列出了通過(guò)仿真優(yōu)化后襯底溫度下降的數(shù)值和實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比，通過(guò)對(duì)比實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和仿真數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，監(jiān)測(cè)點(diǎn)溫差的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)和仿真數(shù)據(jù)誤差較小，最大誤差在3℃以內(nèi)，符合設(shè)計(jì)要求。

由表1可以看出，通過(guò)優(yōu)化導(dǎo)風(fēng)罩，襯底的實(shí)測(cè)溫度降低了15℃，改善效果最為明顯，其次是優(yōu)化風(fēng)量配比，芯片襯底溫度下降了7℃；結(jié)合固態(tài)源、ACDC電源、風(fēng)扇風(fēng)量、進(jìn)風(fēng)口、出風(fēng)口等各項(xiàng)散熱優(yōu)化措施后，最終固態(tài)源功率放大芯片襯底的實(shí)測(cè)溫度降低了41℃，相比改善了22%，滿足各項(xiàng)指標(biāo)要求。

圖9 烹飪器具溫升測(cè)試框圖

4 結(jié)論

本文首先通過(guò)分析影響射頻加熱系統(tǒng)散熱設(shè)計(jì)的各個(gè)影響因素，然后對(duì)每個(gè)影響因素都進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，其核心是加快熱量的交換，并得出以下結(jié)論：

（1）通過(guò)采用非均衡比上下高效同步散熱技術(shù)，即調(diào)節(jié)冷卻風(fēng)扇風(fēng)量在ACDC電源和雙固態(tài)源上的分量配比，使得射頻功放芯片襯底實(shí)測(cè)溫度下降了7℃。

表1 芯片襯底溫度下降數(shù)值仿真與實(shí)測(cè)

（2）流線型導(dǎo)風(fēng)罩的設(shè)計(jì)旨在使風(fēng)道中的風(fēng)流動(dòng)均勻順暢，使得射頻功放芯片襯底實(shí)測(cè)溫度下降了15℃，改善效果最為明顯。

（3）結(jié)合其他各項(xiàng)優(yōu)化措施，固態(tài)源功率放大芯片襯底溫度實(shí)測(cè)結(jié)果總體降低了41℃，相比較改善了22%，因此各個(gè)影響因素的累加改善效果不容忽視。

射頻加熱系統(tǒng)散熱優(yōu)化設(shè)計(jì)改善了烹飪器具的性能及可靠性，從而烹飪出更健康、更多元化的高品質(zhì)美食。