一、简介
随着UPS模块功率密度的不断提升,从本世纪初单个模块的10KW提升到目前的150KW(3U的高度),市场上竞争对手推出的任意一种散热器的散热效果都不断逼近其理论值,散热器又是模块中关键的一个元器件,发热源的温度主要由它来降低。本文着重讲解了散热器设计需要考虑的因素和散热器的优化思路,最后用了一个实际的例子,通过热仿真软件的模拟对比,从而设计出了一款高效的散热器。
二、散热器设计考虑的因素
散热器的本质就是在一个相对空间内扩大传热面积的部件,要扩大到什么程度,怎样去扩大,需要考虑以下几点因素。
2.1
散热器的工艺及分类
散热器按照加工工艺一般可分为:插齿散热器,它是纯粹的采用机械手段,强行压接而成;铲齿散热器,它是用铲齿机床把型材加工,用于小批量生产,体积较大的散热器,一般应用在UPS中的SBS模块中;型材散热器,这类散热器外形美观,重量轻,散热性能好,可批量生产,一般应用于UPS的功率模块中;双面散热器,这类散热器包含散热翅片和两个导热基板;热管散热器,它由密封管,吸液芯和蒸汽通道组成;压铸散热器,利用压铸机一次性压铸成型,再经过冷却与后处理,制成单体散热片。如果按照材料来化分,市面上有很多铜散热器,它的加工工艺与铝散热器一样,但铜的导热系数高,可以更快的吸收和传递能量。
在常见的金属中,铝合金与铜合金的导热和经济性能是最好的,所以常见的散热器的材质是铝合金和铜合金。本文以铝型材散热器为例,通过软件的模拟对比,设计出了一款最优结构的散热器。
2.2
产品内部空间尺寸的大小
在UPS的功率模块中,散热器是一个十分关键,同时也是一个占用空间比较大的部件。散热器强化散热的根本依据是扩大散热面积。而空间尺寸的限制,实际上也就限制了散热器的大小。通常功率模块的宽度需要满足19英寸的机柜,高度一般是2U,3U,4U,5U等等,这样散热器尺寸的大小,就直接关系到功率模块的大小。在功率相等的情况下,模块的体积越小,产品的竞争力就越大。
2.3与散热器接触发热元器件的温度
安装散热器的目的就是控制发热元器件的温度,所以散热器的设计需要结合发热元器件的温度要求。温度要求是否满足,是判断散热器设计是否合格的主要依据。
2.4
散热器的安装紧固力
散热器安装的紧固力主要影响导热界面材料的热阻。当散热器的紧固力加大,导热界面材料会被很好的压缩,从而使热阻减小。设计散热器时,需要结合产品的热流密度,选用合适的界面材料,然后根据材料属性确定安装的紧固力,最后确定能够满足要求的紧固螺钉。
2.5
散热器的成本考量
在产品的设计中,成本的考量是个很关键的因素,功率模块也不例外。散热器在功率模块中的成本也很重要。它的成本因素主要包含以下几个方面:1）加工工艺;2）散热器的外形复杂程度;3）散热器的材质;4）表面处理的方式;5）是否需要新开模具;6）最大的需求量。除此之外,在散热器的设计之初,一定要与加工厂商充分沟通,从散热效果和加工成本综合考量,从而获得综合性价比最高的散热器。
三、散热器的优化设计思路
散热器是功率模块中散热的主要元器件,它的热设计同其它部件类似,热设计优化的思路也要从热量传递的三种基本方式考虑。
3.1热传导-优化散热器的扩散热阻
当发热源安装在散热器上时,发热源的热量传递到散热器上,以及热量在散热器内部传递的这个过程,就是热传导。热传导可以用傅里叶导热公式描述为:QC=-AλΔT/L。
从公式不难看出,传递的热流与散热器的面积,材料的导热系数,温度差以及导热方向的厚度有关。要想提高导热系数,最好的方法就是换材料,比如把铝合金的材料换成铜合金,或者在热流密度比较大的情况下,甚至可以使用热管或均温板。总之,从热传导的方式来优化散热器,需要从以下三方面来考虑:1）使用高导热系数的材料;2）使用热管等技术来降低扩散热阻,让热流能快速的传递到散热器的最远端;3）改变散热器的结构,比如说基板的厚度,形状,散热器翅片的数量,高度等参数,或翅片处理成波浪形的外形,来增大散热器的有效散热面积。
3.2
热对流-强化对流换热系数
发热源的热流通过热传导到散热器后,需要通过热对流将热量散到周围的环境中去。这种通过散热器的翅片与周围空气之间的换热方式,叫做热对流。热对流可以用牛顿冷却定律来表示:Qh=-hAΔT,式中的h为对流换热系数,A为换热的面积。通过公式不难看出,加大换热的面积,可以强化对流换热,但是面积加大,散热器的尺寸也可能变大,从而增加产品的成本,同时还有可能增加风阻,影响内部空间的空气流动,反而会降低对流换热系数。所以要取得最佳的散热效果,需要把散热面积与对流换热系数综合考虑。本文是以计算机仿真的模拟,预测出了最优散热器的截面,找到了散热面积与热交换系数的最佳值。
3.3
热辐射-选择合适的表面处理方式
在自然散热的产品中,热辐射也是一个很重要的散热方式。当散热器的几何结构已经定型时,表面处理方式会显著影响散热的效果。一般情况下,为了提高辐射散热,散热器的优化思路需要考虑以下两点:1）室内产品,提高红外表面辐射率;2）室外产品,降低可见光的吸收率。
四、散热器的计算机热仿真模拟结果对比
4.1
热仿真的作用和软件的选择
热仿真可视为一种虚拟的实验。它可以在不做出实际产品的前提下,通过输入一系列的信息数据,来计算在不同运行场景下产品的散热风险。因此,热仿真可以提前预判产品的散热方案是否合理,从而节约研发时间和打样成本。当前,热仿真可实现的基本功能有:
1）可计算产品在不同环境下的温度表现;
2）可显示产品内部及周围的热流路径,便于分析散热控制环节;
3）可显示冷却介质的速度分布,流动路径,压强分布,风扇和泵的工作点等相关的信息,便于分析散热的状态和优化方向;
4）可实现相关参数的自动化计算,自动获取最优的设计空间。
目前,散热器可以利用计算机软件来辅助设计,并可对各参数进行优化。这样的软件有很多,其中Flotherm和Icepak的应用尤其广泛。就一般应用来讲,Flotherm建模方便快捷,为了提高建模与计算效率,Flotherm提供了大量的Smartparts快速建模的宏命令,摒弃了繁杂的模型筛选,无论是几何建模,网格划分,它的自动化程度都很高,可以通过适当的控制,如果模型设置合理,计算精度是可以满足散热设计要求的。相对于Flotherm,Icepak的核心优势是支持非结构化网格,从而可以更加便捷,更高精度的支持曲面结构。
4.2
散热器的计算机热仿真模拟对象的介绍
本文介绍的是UPS功率模块中散热器的优化,所使用的软件是Flotherm。此功率模块的工作环境温度为40℃,其发热源是一种绝缘栅双极晶体管(IGBT),它采用的是TO-247的封装,尺寸为22x15×5mm,所有的IGBT总功率大约是720W,分别分布在6个相同散热器的两侧。散热器的温度第一次采用实际样品测试,从测试的结果来看,散热器的散热效果很不理想,测得的表面温度几乎达到或是超过了设计的临界值。由于受到特殊的限制,不能对风扇,模块内其它的元器件布局进行修改,项目组要求必须对散热器进行局部优化设计,以此来满足热设计的需求。
4.3
散热器的优化设计过程
按照本文先前提到散热器的设计优化思路,考虑到模块内部空间的大小,对散热器的横截面进行了3种不同的优化设计。我们知道,热传递主要有三种方式:传导,对流和辐射。本文中的模块采用的是强迫风冷,热辐射影响很小,暂且不考虑。所以,优化散热器的主要思路就是从热传导与热对流这两种方式来考虑。1）从热传导的方式来看,因为考虑到成本不能增加,仍然使用铝合金的散热器,但是对基板的厚度有所加大。散热器基板较薄时,向远离热源的翅片传递的热阻较大,会导致散热器上温度分布不均匀。基板厚度增加可以改善温度不均的问题,但太厚的基板除了浪费材料增加散热器自重外,也会造成热的累积,反而使热传导能力降低。因此,良好的基板厚度设计应该由热源部分厚,边缘部分薄,这样,可使散热器由热源部分吸收足够的热向周围较薄的部分迅速传递。下图中的图B就很好的体现了这种思路,从截面图来看,它的基板厚度从下端翅片开始,一直延伸到顶部,它的宽度尺寸是逐渐缩小的,这样就最大化的降低了扩散热阻,使发热源的热量可以快速的传递到翅片的最远端,从而降低发热源的温度。2）从热对流的方式来看,散热器翅片的间距、厚度和高度是确定散热器翅片数量、分布以及散热器展开面积的重要因素。不论采用自然散热还是强迫风冷,散热器翅片的间距都是决定流过其表面空气换热系数的重要因素。一般情况下,适当的减少齿间距,增大了散热器的翅片与散热的面积,能提高热对流的系数,从而加大对流散热的效果。
下边是几种不同散热器的横截面图。图A是原始的散热器,图B,C,D是三种优化设计后的散热器。从横截面可以看出,在总的高度不变的情况下,图B,C,D的翅片比A多,基板的厚度也比A大。图B与图C,D的最大区别是除了翅片的形状不同外,同时图B基板的厚度从下端翅片开始,延伸到顶部,它的截面尺寸是逐渐缩小的,这样就最大化的降低了扩散热阻,从而降低发射源的温度。
4.4
仿真软件热模拟结果对比
通过计算机软件的模拟仿真,散热器截面的表面温度值见表三。从表中的数据不难看出,散热器B的散热效果最好,相同位置的温度比散热器A降低了4-5℃。散热器C与D虽然与A比较,温度也有所降低,但是没有散热器B的散热效果好。
运用热传学的理论知识,对散热器进行了局部的优化,同时通过计算机的仿真模拟,项目组最终选择了图B的方案。后续对新样品进行了实际的热测试,相同部位的温度值平均降低了5℃左右,验证了仿真的准确性,同时也满足了设计的需求。
五、结束语
本文详细介绍了散热器设计需要考虑的各种因素以及优化设计思路。并以一个UPS模块中的实际散热器为例，运用热传学的理论知识来优化散热器，最后通过计算机软件的热模拟结果对比,最终设计出了一款高效的，满足模块功能需求的散热器。
参考文献
[1]杨世铭,陶文铨.传热学[M].北京,高等教育出版社,2006;
[2]王竹溪,热力学[M].北京,北京大学出版社,2005;
[3]李波,FloTHERM软件基础与应用实例[M].北京,水利水电出版社,2016;
编辑：Harris
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