电力电子器件强制风冷用新型散热器的研究
旷建军, 林周布, 张文雄, 陈 为(福州大学, 福州 350002)
摘要:通过深入分析对流传热过程原理,在确定了影响强制风冷散热效果的因素后,运用航空技术中扰流方法,提出了一种新型强制风冷用散热器的技术,并通过实验证明该技术能有效地提高电力电子器件的散热效果。
关键词:强制冷却;散热器/ 扰流片;电力电子器件
中图分类号: TK414. 2 ; TN34 文献标识码:A 文章编号:1000 - 100X(2002) 02 - 0072 - 02
Research on a Novel Heat Sinker with Forced Cool ing for the Power Electronic Devices
KUANGJ ian2jun , L IN Zhou2bu , ZHANG Wen2xiong ,CHEN Wei( Fuz hou University , Fuz hou 350002 , China)
Abstract :On the basis of the factors influencing on the cooling efficiencies determined by the detail analysis of tropospheric heat exchanging , the technology of a novel heat sinker with forced cooling is proposed in this paper with aerospace technology. Experiments have proved the cooling technology for power electronic devices is effective.
Keywords :forced cooling ; heat sinker/ turbulator ; power electronic device
1 引 言
现代电力电子装置的发展方向是:高功率密度,高可靠性,高效率,以实现小型化轻量化。制约电力电子装置小型化轻量化的主要因素是整机的效率与散热效果。为解决此问题可从两方面入手: ①从电路结构上入手减少损耗,如采用软开关技术; ②运用更有效的散热技术,在相同的体积下提高散热效果或在相同的散热效果下减小体积。在较大功率电力电子装置中的主要散热方式是强制风冷,因此提高强制风冷效果的技术就成了研究的重点。一方面合理的风道设计可在不增加散热器体积和重量的情况下有效地改善散热[1 ] ,另一方面,通过在现有型材散热器中增加数小片扰流片在散热器表面的流场中引入紊流也可显著地提高散热效果。
2 对强制风冷热传递的分析
电子器件产生的热量由热传导的方式通过管壳到散热器,再通过散热器以对流与辐射两种传热方式传递到外界环境中。本文主要研究散热器表面到外界环境的传热过程。由于强制风冷散热方式主要是对流换热,根据传热学原理,对流换热过程满足牛顿冷却公式[2 ] :
Q =αAΔ T (1)
式中 Q 单位时间内由散热器传递到环境的热量α 对流换热系数
A 散热器与空气接触的面积
Δ T 散热器壁面温度T1 与外界空气温度T2 之差散热器的散热效果可用其热阻Rt 来描述:Rt = ( T1 - T2) / Q (2)
比较式(1) 和式(2) 可知:Rt = 1/ (αA) (3)
式(3) 说明对流换热系数α和换热面积A 越大,热阻越小散热效果越好。但为了适应电力电子器件向小型化和轻量化发展,应主要研究如何提高α来达到提高强制风冷的效果。
由传热学原理对流换热中的换热微分方程式α= [ - λ/ ( T1 - T2) ] (9 T/ 9 y) y = 0表明了换热系数α的物理本质。式中α取决于流体的导热系数λ,温度差( T1 - T2 ) 和近壁流体的温度梯度( 9 T/9 y) y = 0 。
由传热学和流体力学中的原理知:当空气流过散热器时在散热器表面形成较薄的热边界层δt 和速度边界层δ,如图1 。在热边界层内,温度沿散热器表面法线方向由T1 变化到T2 ,而在热边界层只外温度基本不再变化。同样在速度边界层内,速度沿散热器表面法线方向由零变化到V 2 ,而在速度边界层只外速度基本不再变化。在流场中又分为层流和紊流。另外,由于散热器表面的阻碍作用在紊流边界层的底部形成极薄的一层层流底层。紊流时对流换热除贴壁的层流底层外,紊流核心的速度分布和温度分布都较为平坦,主要热阻在层流底层中。
由于层流底层极薄,温度梯度( 9 T/ 9 y) y = 0甚大,所以紊流换热强度远远超过层流。
在航空器制造技术中,由于层流比紊流摩擦阻力小,所以不少种翼型设计中都尽量使流过机翼的空气保持层流状态。但层流在有些翼型中会发生局部分离,带入了压差阻力,使阻力大大增加甚至超过紊流时的阻力。为了解决这个问题航空工程师发明了紊流发生器(扰流片) 使流过机翼的层流变成紊流,而紊流抗局部分离的能力比层流大的多,从而使机翼阻力大大减少。本研究就是基于航空技术上的这个原理,在流过的散热器前端加扰流片使流过散热器表面的空气变为紊流加强对流换热的效果。
3 实验及结果分析
为了研究紊流发生器对散热情况的影响,在风机和散热器及发热功率都相同的条件下,进行了对比实验。实验装置中, 发热元件为两个IRFP460MOSFET 功率管并联,风机是直径为120mm 的直流驱动轴流风机FBK212G12L E , 风量为2. 5m3/ min。散热器用亚泰牌SRX2YDH132 散热器,有效面积为733cm2 ,重量为295 克。为便于实验研究,把散热器的台面作为研究对象,把它当成散热器的翼面,在它的一端粘上18 片扰流片共3 克,安装及扰流片尺寸如图2 。
因散热器前端加了扰流片,改变了散热器的散热面积。为了排除不一致因素,保证实验的有效性,用同一个加了扰流片的散热器做对比实验。方案1把加了扰流片的一端作为空气流入端,方案2 把加了扰流片的一端作为空气流出端,相当于扰流片不起作用。这样方案1 中扰流片产生的紊流就会流过散热器,方案2 因扰流片在空气的流出端,扰流片产生的紊流就会直接流出散热器。实验对比结果很好地说明了扰流片对加强强制对流换热的效果。本实验用硬纸板制成机箱,模拟实际机箱对散热的影响。
用直流稳压电源提供4A、10V 给发热元件,另用一直流稳压电源提供10V 电压给栅极驱动。用Raytek 公司的RATST6LX 型红外非接触式温仪测量温度,精度为0. 1 ℃,测温点选在散热器台面上靠近发热元件的位置。当系统稳定时记录台面温度。
实验结果:扰流片在前端时(方案1 ,图3a) ,温升为23. 3 ℃。扰流片在后端时(方案2 ,图3b) ,温升为26. 9 ℃。由热阻公式Rt = ( T1 - T2 ) / Q得知,因Q 是一样的,故两种方案的热阻比为23. 3/ 26. 9 =86. 6 % ,即加扰流片减少热阻13. 4 %。
4 结 论
实验证明在散热器前端加入扰流片引入紊流,可有效提高强制风冷的散热效果。所提出的技术对新型强制风冷散热器的研发提出了一个新的方案。
参考文献:
[1 ] 杨旭,马静,张新武,王兆安. 电力电子装置强制风冷散热方式的研究[J ] . 电力电子技术,2000 ,34 (4) : 36～38.
[2 ] 余佐平,陆煜. 传热学[M] . 北京:北京高等教育出版社,1995.73电子软起动器软件控制算法的设计
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