中心議題：
- 溫度控制
解決方案
電源模塊內(nèi)有四個功率管（在同一平面上,，分成兩排）,，其兩兩間距為60mm，管徑Φ20mm,，每一功率管的發(fā)熱功率為50W,。周圍環(huán)境溫度：+50℃。要求設(shè)計(jì)一150mm×200mm 的平板肋片式散熱器,。
根據(jù)熱設(shè)計(jì)基本理論,，功率器件耗散的熱量為
Pc=Δt/RT （W） （１）
式中，Δt 為功率管結(jié)溫與周圍環(huán)境溫度之差,，℃,；RT 為總熱阻,，℃/W；
RTj 為功率管的內(nèi)熱阻,，RTp 為器件殼體直接向周圍環(huán)境的換熱熱阻,，RTc 為功率管與散熱器安裝面之間的接觸熱阻，RTf 為散熱器熱阻,。本文旨在盡量減小RTc 和RTf,，使系統(tǒng)熱阻降低，保證功率管結(jié)點(diǎn)溫度在允許值之內(nèi),。
在求解一邊界條件已知的封閉體的散熱問題時,，如插箱、機(jī)柜等,，常需用walls 來模擬實(shí)體邊界,，可以使其尺寸小于cabinet。我們可以對wall 定義厚度,、溫度,、表面換熱系數(shù)、熱流密度等參數(shù)來模擬機(jī)柜外殼的物理特性,。而如何設(shè)定上述參數(shù),，對于客觀、科學(xué)的模擬現(xiàn)實(shí)問題,、得出較準(zhǔn)確的預(yù)測結(jié)果具有非常重要的意義,。
Openings 則明確定義了熱源區(qū)域同外部環(huán)境的換熱通道，它一般用來表示實(shí)體壁面上的開孔,。相對于無表面換熱的cabinet 而言,，opening 則是熱量交換的重要門戶,。本文中無需設(shè)定walls, 我們在cabinet 的六個面上依次創(chuàng)建了opening , 表示求解區(qū)域同外部環(huán)境之間的空氣流通和熱量交換的通道。
保持ICEPAK 對求解參數(shù)的默認(rèn)設(shè)置,，求解過程約需40 分鐘,。從圖1 可以看出：功率管表面的最高溫度為102°C（模型中有六個openings ,迭代次數(shù)為140），與理論計(jì)算值相符,。改變模型中的相關(guān)參數(shù),，我們對散熱器進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，結(jié)果表明：散熱器底板厚度為6mm比較適合,， 另外,， 不宜為了增加肋片數(shù)目而過度減小肋片間距， 最終取8.6mm ,。
圖1 自然對流條件下功率管散熱的溫度與風(fēng)速云圖
盡管散熱器的參數(shù)優(yōu)化對溫升控制略有改善,，但仍不能滿足功率管的可靠性要求，因此,，我們考慮強(qiáng)迫風(fēng)冷的散熱方式,。在上述計(jì)算模型的基礎(chǔ)上，我們在垂直方向設(shè)定流體的流速為1.5m/s , 即在散熱器底部送風(fēng),，其他參數(shù)不變,。我們注意到，此時系統(tǒng)給出的流態(tài)為紊流,。在初始條件中作相應(yīng)的調(diào)整后,，最終求得的器件表面最高溫度約為89°C。散熱器底板截面溫度圖及橫向風(fēng)速云圖分別見圖2,、3,。
圖2 強(qiáng)迫對流條件下功率管散熱的溫度云圖
圖3 強(qiáng)迫對流條件下功率管散熱的風(fēng)速云圖
在求解過程中我們注意到：迭代的次數(shù)對最終結(jié)果有比較大的影響，因此如何恰當(dāng)設(shè)定迭代的次數(shù)及殘余誤差值得進(jìn)一步深入探討,。.
結(jié)論
底板規(guī)格：150mm（高）×200mm（長）×6mm（厚）,；
在自然冷卻的條件下，功率管的殼溫約為102℃,，對應(yīng)的散熱器熱阻為0.26 ℃/W ,；在1.5m/s 的風(fēng)冷條件下,，功率管的殼溫約為89℃，散熱器熱阻則為0.20 ℃/W, 滿足設(shè)計(jì)要求,。
任務(wù)分析
功率管的溫度控制,，主要是控制功率管的結(jié)溫。生產(chǎn)廠一般將器件的最高結(jié)溫規(guī)定為90℃-150℃,?？煽啃匝芯勘砻鳎瑢τ谑褂霉β试?span xml:lang="EN-US">電子設(shè)備長期通電使殼體溫度超過100℃,，將導(dǎo)致故障率大大增加,。故要求功率管殼體溫度，即散熱器底板溫度（先忽略安裝時的接觸熱阻）應(yīng)低于100℃,。以下的計(jì)算中暫取100℃,。
散熱器設(shè)計(jì)
1,、底板的設(shè)計(jì)
底板的設(shè)計(jì)包括底板厚度和底板長高尺寸設(shè)計(jì),。在底板材料確定的條件下，底板的厚度會影響其本身的熱阻,，從而影響散熱器底板的溫度分布和均勻性,。查閱部分國家標(biāo)準(zhǔn)，取散熱器底板厚度為6mm,。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式,，底板的高度取為150mm（150和200的較小者）時換熱系數(shù)較大。
2,、肋片厚度的設(shè)計(jì)
3,、肋間距的設(shè)計(jì)
4、肋片高度的設(shè)計(jì)
式中：
Gr----葛拉曉夫數(shù);
D----自然對流時的特征尺寸,， D＝150mm＝0.15m;
Δt----壁溫與周圍流體溫度之間的溫差， Δt＝100-50＝50 °C;
β----體積膨脹系數(shù),， β ＝2.9575╳10-8 1／K;
γ----運(yùn)動粘度,， γ ＝20.43╳10-6 s m / 2 ;
g----重力加速度,g=9.87 2 / s m ;
代入數(shù)據(jù)得Gr＝1.1673╳10-7，而普朗特?cái)?shù)Pr＝0.7085,，故Pr× Gr＝8.2703╳105,，在1╳104～1╳109 之間，判斷流態(tài)為層流,。相應(yīng)的對流換熱系數(shù)計(jì)算公式為
由等截面矩形肋散熱效率計(jì)算公式求得：
散熱面積A＝0.66 2 m ，求得Δt＝ Q／( h ηA)＝51.2566 °C,。肋片溫度t 等于環(huán)境溫度與溫升Δt之和,，即t＝50+51.2566＝101.2566°C；這表明,，所設(shè)計(jì)的散熱器在自然冷卻的散熱方式下,，略高于器件的溫升要求，下面我們再借助ICEPAK對散熱器的參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化,，并采用強(qiáng)迫風(fēng)冷,，以期得到更低的肋片溫度。
用Icepak軟件進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)
ICEPAK 求解的一般過程如下：
項(xiàng)目命名—>設(shè)定初始參數(shù)—>建立模型—>網(wǎng)格劃分—>網(wǎng)格檢查—>校核流態(tài)—>問題求解—>結(jié)果顯示
本文對四個50W 的大功率管進(jìn)行了散熱設(shè)計(jì),。最終采取空氣強(qiáng)迫對流方式。散熱器采用鋁合金,，用型材加工,，表面作黑色陽極氧化處理，具體尺寸如下：
肋片形式：矩形等截面肋,；
肋片厚度：1.3mm；
肋片間距：8.6mm（共36 片肋片）,；
肋片高度：70mm,；