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北京灵动空间工业设计有限公司
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热设计


1.引言

 

在封装技术水平不断提高的今天,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,这就使得单位热流密度值迅速增大,输入功率的很大一部分都转化为热功耗,这部分热功耗会造成元器件结点温度急剧升高,导致电力电子设备热失效。据统计,电力电子设备的失效率有60%是温度超过规定值引起的,随着温度的增加,电力电子设备的失效率曾指数增长,所以,功率器件的热设计直接决定了产品的可靠性和稳定性。同时整机的效率与散热效果也制约电子装置小型化轻量化的主要原因,因此电子产品的行业特性决定了其产品更迭迅速,在合理地对产品进行热设计,使其安全可靠运行的同时,如何加快产品的研发周期也成了重中之重。

 

CFD仿真软件,它提供的“设计级分析”,选取恰当的方法,注重于解决电力电子散热行业的实际工程应用问题。其求解器不但应用了数值方法的解算,同时结合了大量专门针对电力电子设备散热而开发的实验数据和经验公式。

 

本公司合理利用CFD软件,结合结构设计对电子设备进行热设计,更有效的降低了产品热失效和人工复杂计算错误导致的产品研发失败,在很大程度上加快了产品的研发周期。

2.物理模型和散热方法

2.1 物理模型

2.2 散热方案选择

 

当采用自然对流的冷却方式无法满足电子设备的温控要求时,就必须借助外部的动力(如风机或泵)来提供强制冷却,对于采用强迫通风冷却的电子设备,其热设计应着重考虑两个问题:

 ① 选用合适的风机;

 ② 设计合理的风道

2.2.1 风机风量确定

 

电子设备的常用风机主要是离心式风机和轴流式风机,离心式风机实用与小风量、高风压的场所;轴流式风机实用与大风量、低风压的场所。风机的主要性能参数包括:风量qv (m3/S)、风压p(pa)、功率P(KW)、效率。风机风量计算如下式:

 

Qf  =  Q / (Cp *ρ *△T)

   公式中:Qf:强迫风冷系统所提供的风量。  

                 Q:被冷却设备的总热功耗,W

 C:空气比热,J/(kg*)

 ρ:空气密度,m3/kg

     △T:进出口的空气温差,

 

2.2.2   风道阻力特性确定

 

目前在获得风道的阻力特性一般的方法是经验实验法和计算验证法。经验实验法:参考以往相似的设计实例的风道特性及所用的风机,估计当前设计对象的风道特性,并选选择出合适的风机;在样机制作完成后,通过实验去验证他的合理性;这种方法的设计周期长,设计费用比较大。计算验证法:进行手工的计算,得出系统的阻力特性,但由于公式中的局部和延程阻力系数不易得出,从而造成计算结果与实际值相差较大,综合上述方法,我们利用仿真软件可以进行模拟仿真,可以快速的获得风道的阻力特性。

1)依据结构设计模型进行建模;

2)在模型风冷的空气入口设置一个Fixed Flow(固定流),对此固定流进行体积流量的设定,如0.01m3/S   0.015 m3/S  0.02 m3/S  0.025 m3/S 等进行仿真,以此来捕获风到的阻力特性;

3)将求解设定为纯流动,合理划分网格;

4)在设备的进出风口设置监控点来进行空气的监测,了解参数的变化;

5)通过仿真后获得风道的特性曲线,如图所示由于风机的风量已经确定,可以得出风机的工作点。

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