大容量电力电子装置中板式水冷散热器的优化设计.pdf

第 4 6卷第 2期 2 0 1 0 年1 月 机械工程学报 J OURNAL OF MECHANI CAL ENGI NEERI NG VO1 4 6 N O 2 J a n 2O1 0 DoI ： 1 O 3 9 0 1 J M E 2 0 1 0 0 2 0 9 9 大容量电力电子装置中板式水冷 散热器的优化设计水 揭贵生 孙驰 汪光森聂子玲孟庆云 f 海军工程大学电力电子技术研究所武汉4 3 0 0 3 3 ) 摘要：为提高水冷散热器的散热能力、控制其温度均匀性，在散热器外形尺寸及流量一定的条件下，从理论上对层流范围内 平板式水冷散热器的三个通道参数( 通道数、散热片高度、散热片占空比) 与散热器量纲一散热热阻的变化关系进行了推导。 提出可根据这些变化关系来对任意尺寸平板式水冷散热器的各通道参数进行优化选择，在工程设计上具有很好的指导意义， 仿真和试验结果证明了方法的有效性并表明：小通道尺寸的平板式水冷散热器对于解决大热流密度器件的散热更为有效，散 热效率更高；在同样的参数情况下，流量增大则散热器效率降低，应综合考虑散热器流阻和流体平均温升的控制要求来选择 流量 。 关键词：电力电子水冷散热器计算流体动力学优化设计 中图分类号：T G1 5 6 T M3 3 Op t i mi z a t i o n De s i g n o f W a t e r - c o o l e d He a t S i nk App l i e d t o La r g e - c a pa c i t y Po we r El e c t r o n i c Eq u i pm e n t J I E Gu i s h e n g S U N C h i WANG G u a n g s e n N_I E Z i l i n g ME NG Q i n g y u n ( I n s t i t u t e o f P o w e r E l e c t r o n i c s T e c h n o l o g y , Na v a l Un i v e r s i t y o f E n g i n e e r i n g ， Wu h a n 4 3 0 0 3 3 ) Ab s t r a c t ： I n o r d e r t o e n h a n c e t h e h e a t t r a n s f e r c a p a b i l i t y an d c o n t r o l t h e t e mpe r a t u r e u n i f o r mi ty o f t h e wa t e r - c o o l e d h e a t s i n k ， t h e r e l a t i o n s b e t w e e n t h e d i me n s i o n l e s s the r ma l r e s i s t a n c e and t h r e e c h a n n e l p a r a me t e r s ( t h e n u mb e r o f c h a n n e l s ， fi n h e i g h t and fi n d u ty r a ti o o f t h e h e a t s i nk are d e d u c e d the o r e t i c a l l y i n l a mi n a r flo w r ang e o n the c o n d i t i o n t h a t the o u t l i n e d ime n s i o n s o f the h e a t s i n k wi t h p l a t e fi n s a n d th e f l u i d v o l u m e flo w are c h o s e n fi r s t l y T h e n ， a p a mme t e r o p ti mi z i n g d e s i g n m e th o d wi th a p p l i c a tio n t o arb i t r a r y h e a t s i nk d i me n s i o n s wh i c h i s o f g o o d dir e c t i v e s i g n i fi c an c e i n e n g i n e e r i n g i s p r e s e n t e d a c c o r d i n g t o t h e s e v a r i a t i o n r e l a t i o n s T h e r e s u l t s o f s i mu l a t i o n a n d e x p e ri m e n t p r o v e t h e e ffe c t i v e n e s s o f t h e me t h o d a n d s h o w th a t the h e a t s i nk wi m s ma l l c h a n n e l s i z e s c a n r e a c h h i g h e r h e a t - -tra n s f e r e ffic i e n c y an d i s mo r e e ffe c t i v e t o c o o l t h e c o mp o n e n t wi t h b i g h e a t - fl u x d e n s i ty,t h e h e a t -tran s f e r e ffi c i e n c y d e c r e a s e s wi th t h e i n c r e a s e o f v o l um e flo w, S O t h e v o l u me f l o w s h o u l d b e s e l e c t e d r e aso n a b l y wi th c o mp r e h e n s i v e c o n s i d e r a ti o n o f the c o n t r o l r e q u i r e me n t s o f t h e h e a t - s i n k fl o w r e s i s t a n c e an d fl u i d me tal t e mp e r a t u r e r i s e Ke y wo r d s ：P o we r e l e c tr o n i c s Wa t e r c o o l e d h e a t s i nk C o mp u t a t i o n a l f l u i d d y n a mi c s ( C F D ) Op t i mi z a t i o n d e s i gn 0 前言 随着交通运输业和电力系统的高速发展，各种 MV A级大容量电力 电子装置在机车电力牵 引、 大型 船舶的 电力推进和 电厂发 电机 励磁系统 中应运而 生。其工作效率经过优化，总损耗至少也在几十至 几百千瓦之间。由于受当前可供货的功率开关器件 r 国家 自然科学基金重点资助项 目( 5 0 7 3 7 0 0 4 ) 。2 0 0 9 0 4 2 3收到初稿 2 0 0 9 1 0 2 7收到修改稿 的电压和电流耐量水平的限制，通常都采用多相多 电平结构并且有时还需要通过器件的串并联来满足 系统电压 、电流等级的要求 1 - 2 。考虑到器件本身电 热耦合特性 的影响，要求这些串并联功率器件 间的 温度较为均衡，并且这些大容量开关器件 内部通常 也是由多个 I G B T晶片并联构成的，在使用时其热 ：流密度大多超过了 1 0 W c r n 2 ，因而单个器件本身的 温度均匀性对其安全运行也很重要 3 - 5 。 这样不仅要 求散热系统效率高、结构紧凑便于集成 ，并且安装 在同一个散热器上 的各功率开关器件的温度均衡性 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 1 0 0 机械工程学报 第 4 6卷第 2期 也要保证。 通常在热流密度超过 1 0 W c m 2 时， 风冷 已很难奏效， 且在大系统中会导致体积和重量很大， 难以满足总体要求。而水冷由于水的热容量和密度 大，器件在散热器上的安装密度也可加大 ，因而集 成度高、结构紧凑， 对于总发热量大和功率开关器 件数多的系统就很合适。 对于水冷散热器而言， 目前 国外 由于有功率开 关器件的制造业作为支撑，主要致力于集成在单个 功率开关器件 内部的换热系数极大的微通道散热器 的研究和设计 ， 这对于解决热流密度超过 5 0 W c m2 的大功率器件的散热问题非常有效【6 】 。文献 7 采 用量纲一方法 ，在通道数和散热 片占空比一定的情 况下，考虑到所需泵功率 的限制，通过迭代对散热 片高度进行 了优化计算，但是 由于采用了量纲一方 法 ，结果不直观并且 由于设备实际几何尺寸条件的 限制， 所得到的最优解往往不能直接使用。 在 国内， 近年来，由于电力电子、微波通信和激光等行业的 高速发展，器件的热流密度越来越大，很多学者基 于国内现有条件，针对特定的应用，对微通道板式 水冷散热器进行了研究，但大都是采用仿真和数值 计算的方法来比较，因而散热器各参数很难在允许 的参数范围内得到优化【 l 卜 J 。 多通道结构 的平板 式水冷散热器 由于通道数 较多，散热器台面上各器件间的温度可更容易控制 均匀，散热效率较高，并且采用水冷后所需的冷却 液流量会大大减少 ，因而通道 内冷却液流态多控制 在层流范围内【 6 _ 。本文结合散热器外形尺寸及流 量的限制 ，从理论上对层流范围内平板式水冷散热 器的通道数、散热片高度、散热片 占空比与散热器 量纲一散热热阻的关系进行了推导，形成 了任意尺 寸平板式水冷散热器的参数优化方法 ，总结出其变 化规律。 在试验对 C F D算法的有效性进行验证的基 础上， 针对具体的算例进行了理论计算和 C F D仿真 的对比验证，在工程设计上具有很好的指导意义 。 1 平板式水冷散热器的理论基础 图 1 描绘了最常见的多通道平板式水冷散热器 结构。 图 1 典型 的多通道平板式水冷散热器 结构示意 图 散热器外形尺寸与通道参数间有如下关系 D b = = 2 b ( 1 ) 4： D： N b D ( 2 ) 4： 2 N b L+ 2 D L ( N+ 1 ) r = 2 _ N b L + 2 D L ( N+1 ) ( 3 ) = = V m= ( 5 ) 式中P 散热片厚度 6 。 通道宽度 厂散热片占空比，即e 与 6 c 之比 v f 水的体积流速 V m 通道平均流速 通道水力直径 J ) 通道( 散热片) 高度 通道( 散热片) 数 卜通道纵横比 6 散热器宽度 散热器长度 D台面厚度 r 散热片效率 。 通道总截面积 。 总有效对流换热面积 且有 C=N+厂( +1 ) ( 6 ) 由传热学理论，通道流动雷诺数 R P 、压力损失 、换热系数 h和散热片效率 叩分别为 R e = 监 ( 7 ) A o = i f 嘧 (8 ) h： ( 9 ) 一 J _ J c =t a n h ； ( m D一 )( 1 1r ) J 式中P 流体密度 流体运动粘度 流体导热系数 7 r 压力损失系数 努塞尔数 A-m 散热器材料的导数系数 由式( 1 ) 、( 1 0 ) 有 】 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 0 1 0年 1月 揭贵生等：大容量电力电子装置中板式水冷散热器的优化设计 1 0 1 ( = ( 1 2 ) U l U l U U 定义 R n v 和 尺 。 o n d 分别为散热器对流热阻和台 面导热热阻 ， 为台面面积 ： 6 L ) ，则有 R onv + ona 者+ (13 ) 当通道 内流动和温度均处于充分发展层流时， 其流动压力损失系数及努塞尔数有如下关系 _ 8 】 G ：空： 一(D 2 + b 2 ) ( 1 4 ) ( + 1 ) ( J ) + 6 c ) ， ：1 6 8+7 8 5 6 G ( 1 5 ) ，=一 l - Re Nu =一 1 0 4 7 +9 3 2 6 G ( 1 6 ) 当速度处 于充分发展层流而温度 处于正在发 展阶段时，平均努塞尔数可表示为【 】 ： 3 6 6 + ( 1 7 ) I+O 0 4( J 式中，6 为格雷兹数 ，且有 G z = = 业 7 LNb D ( 1 8 ) “ 、 而当流动和温度均处于入 口段的范 围时，平均 努塞尔数可表示为 H N u ： 1 8 6 G z 1 3 I l ( 1 9 ) 式中尸 ，流体普朗特数 流体平均温度 时的流体动力粘度 通道平均壁温 时的流体动力粘度 在流动和温度 均处于充分 发展层流且水温 为 4 0时， 图2 a 、 2 b分别绘 出了当通道宽度 6 。 取 1 i D I n 和 1“ m 时，平均换热系数与通道纵横 比 间的变 化关系曲线。 旱 壶 籁 辎 至 籁 1 l 5 通道纵横比 ( a ) 6 c ： l ml T 1 由图 2可见， 虽然在层流范围内努塞尔数较小， 但是 由于通道尺寸也很小， 因而导致换热系数很大， 通常在 1 0 1 0 W ( m K) 之间，并且采用微通道 结构时散热效果更好。 对于水冷散热器而言 ，有 ： 一 主 ( 一 ) = 2 p v C ) = 一 = +Q( + o n d p ) ( ( 2 0 R c 2 1 ) = ( 2 2 式中 水冷散热器 的入 口水温 鼠 冷散热器的出口水温 平均水温 散热器台面平均温度 轧 水冷散热器效率 日 流体平均温升 散热器台面平均温升 Q 系统总发热量 水的比定压热容 对于多通道结构的水冷散热器而言，由于通道 数 多，传热和散热均较均匀，台面厚度 d可以取得 较薄。由式( 2 2 ) 可知 ，当台面厚度 d根据总体结构 要求选定后 ，则 n d 一定，在总发热量和水流量一 定的前提下， 流体平均温升也一定， 如果 R 。 o n v 越小， 则流体平均温 升 占散热器 台面平均温 升的 比例 越 大，散热器 的效率也就越 高，相应总温升越小，散 热效果越好 。 2 散热器参数的优化设计 在实际散热器设计中，为保证结构的紧凑性， 受系统总体结构尺寸和重量 的限制 ，散热器外形长 宽尺寸可选择的范围是很窄的，可基本上认为是固 定的，加上系统的总发热量也是 已知的，因此在满 足系统压力损失和所需泵功率的限制条件下，如何 通过散热器的 、 厂、 D等参数的优化和流量 的合理 选择，来保证散热器台面平均温度最小和散热器效 率最高就成为设计的关键。由前述第 1节的结论可 知，在水流量根据管道压力损失和流体平均温升约 束而选定的条件下，通过散热器 、厂 、 D等参数的 合理选择使 。 最小，就可实现散热器的优化 设计 。 定义量纲一散热热阻 如 ，由式( 3 ) 、( 9 ) 、( 1 3 ) 有 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 机械工程学报 第 4 6卷第 2期 = + 6= 2 C d N u ( L b ) ( C+b D) 2 N+2 r l D b ( N+1 ) C1 L z j J r 一 ， ， 、 由式( 2 3 ) 可见 ，在散热器外形长宽尺寸一定的 前提下 ，由于 一定，那么 风d 越小则 R 。 o n v 也越 小，因此两者在优化设计 目标上是一致的。在层流 范围内，当体积流速 选定后，则 。 d 只与散热器 参数 、厂 、D有关 。因此在优化参数选择时，可先 固定其中任意两个参数，则 R 。 d 只与 1个待优化参 数有关，令 ： d X 、 式中， 可为 、厂、J D中的任意一个，则可通过 的极性来判断 c d 是否存在最小值，如果在 的允 许范围内， 恒大于 0 ，则 最小时， 。 d 最小； 反之，则 最大时， c d 最小；另外，如果 出现拐 点 ( 大于 0与小于 0的分界点) ，则要根据具体 情况和制造要求进行取舍 ， 保证在允许的 范围内， c d 取得最小值。 采用这种计算方法可在任意散热器 参数和流量条件下对各散热器参数进行优化设计并 找出其与 。 d 间的变化规律，在可选的参数范围内 确定散热器参数的最优解 。 2 1 ， 的优化设计 当 、 D一定时， 则 R c d 只与散热器参数厂有关， 由式( 2 3 ) 、( 2 4 ) ，取 并令 = N u ( L b ) ( 2 5 ) = C- I- b D ( 2 6 ) = 2 N+2 r l D b ( N+1 ) C ( 2 7 ) 4 = ( 2 8 ) 式( 2 4 ) 可改写为 = ： d C _2 ( 州) 酊 、 g - , 1 4 ( 2 9 ) 对式( 2 9 ) 右边可采用逐步展开求导的方法，将 式( 3 0 ) ( 3 4 ) 逐步回代至式( 2 9 ) ，最终得到 与厂的 表达式从而确定 风d 与厂的变化关系，再结合式( 2 3 ) 即可对任意给定的散热器参数和流量进行散热热阻 与厂的理论变化关系分析，在可选的参数范 围内确 定厂的最优解。 些 ： 以 一L 一2 D ( C D b - 1 ) d N u + d C b b ( C D b+n d C + 【 C d q + (3 0 ) 一 t a n l l ( ， ) d 一【 e x p ( ， ，z D ) + e x p ( 一 ， ，l D ) 】 d C ( ro D) A f ( D b ) 2I d N IA (c + b D ) C + N u 2 【 ， ， ) L d C (C - (C + b D ) I 式中 ，在充分发展层流范围内时，式( 3 0 ) 、( 3 1 ) 中 Nu对 C的导数分别为 dC 1 8 6 5 2 D ( C D b l 、 b ( C D b +1 ) ( 3 2 ) 当速 度 充分 发展 而温度 处于 正在 发展 阶段 时有 d N u ：0 0 6 6 8 ( 1 + 0 0 4 G z 2 3 ) + 0 0 6 6 8 0 O 4 G z 一 1 ， 3 2 3 ( 1 + 0 0 4 G z 2 ) 。 ( 3 3 ) 瓦 v f P r 1 D 2 一 4 C D hb I 而当速度和温度均处于层流入 口段时有 d C o 6 2( L N D z )“ J I J I 仉 ， J 【 C ( C+6 】 一 一2 C ( C+6 j ) ) 一 ) ( 3 4 ) 2 2 D 和 的优 化设 计 取 l 、 2 、 3 的定义同第 2 1 节不变，并将 A 0 改写为 = N u ( 3 5 ) 当N、1 7 一 定时，则R c d 只与散热器参数D有关， 由式( 2 3 ) 、( 2 4 ) ，取 X= D，那么，式( 2 4 ) 可改写为 = = 垫 d Dd D ( 3 6 ) 、 而当 D、 7一定时，则 R 。 d 只与散热器参数 N 有关，由式( 2 3 ) 、( 2 4 ) ，取 _ ，则式( 2 4 ) 可改写为 = d N= L砉 ( tiN 4 一 c 垫d N ) (3 7 ) J 3 理论分析与 C F D仿真及试验验证 由第 2节推导 出的婊达式， 再结合式( 2 3 ) 即可 对任意给定的散热器参数和流量进行散热热阻与各 参数间变化关系的理论分析。但 由于这些公式都是 基于平均温升和平均温度的概念，无法对散热器和 功率开关器件的温度场进行准确描述，并且关于努 塞尔数的公式都是 由大量试验 总结 出来 的经验公 式，在使用时对于速度和温度发展状态的判断很难 做到精确 。 而采用 C F D技术， 只要模型及边界条件 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 0 1 0年 1 月 揭贵生等：大容量电力电子装置中板式水冷散热器的优化设计 1 0 5 6 KE VI N A M，Y OG E N DR A K J ，G E R HAR D H S Th e r ma l c h a r a c t e r i z a t i o n o f a l i q u i d c o o l e d AI S i C b a s e p l a t e wi t h i n t e g r a l p i n fi n s J I E E E T r a mC o mp P a c k a g i n g T e c h n o 1 ， 2 0 0 1 ， 2 4 ( 2 ) ：3 - 1 0 7 K NI G HT R W， H AL L D J ， G OO DL I NG J S ， e t a 1 H e a t s i n k o p t i mi z a t i o n wi t h a p p l i c a t i o n t o mi c r o c h a n n e l s J I E EE T r a n s Co mp Hy b r i d s Ma n u f a c t Te c h n o 1 ，1 9 9 2 ， 1 5 ( 5 ) ：8 3 2 - 8 4 2 【 8 】 L UC Me y s e n c ， L U C AS S al u d j i a n ， AL AI N B r i e ard A h i g h h e a t fl u x I G B T mi c r o e x c h a n g e r s e t u p J I E E E T r a n s C o mp H y b r i d s Ma n u f a e t T e c h n o 1 ， 1 9 9 7 ， 2 0 ( 3 ) ： 3 3 4 3 4 1 【 9 C HA RL O T T E G， C H R I S T I A N S I n t e gra t e d mi c r o h e a t s i n k f o r p o we r mu l t i c h i p mo d u l e J I E E E T r a n s I n d A p p l i c a t ， 2 0 0 0 ， 3 6 ( 1 ) ：2 1 7 2 2 1 1 0 T I E N Y u L e e D e s i g n o p t i m i z a t i o n o f a l l i n t e gra t e d l i q u i d - c o o l e d I GBT p o we r mo d u l e u s i n g CF D t e c h n i q u e J I E E E T r a n s C o m p P a c k a g i n g T e c h n o 1 ， 2 0 0 0 ， 2 3 ( 1 ) ：5 5 - 6 0 1 1 】徐德好微通道液冷冷板的设计与优化 J 。电子机械 工程 ，2 0 0 6 ，2 2 ( 2 ) ：1 4 1 8 XU De h a o De s i gn and o p t i mi z a t i o n o f mi c r o - c h a n n e l l i q u i d - c o o l i n g c o l d p l a t e J E l e c t r o Me c h a n i c a l E n g i n e e - r i n g ， 2 0 0 6 ， 2 2 ( 2 ) ：1 4 1 8 【 1 2 】 MA J i e h u i ， F A NG G a o z h an， L A N Yo n g s h e n g ， e t a 1 A 1 N mo n o l i thi c mi c r o c h a r me l c o o l e d h e a t s i nk fo r h i g h p o we r l a s e r d i o d e a r r a y E J C h i n e s e J o u r n a l o f S e mi c o n d u c t o r ， 2 0 0 5 ， 2 6 ( 3 ) ：4 7 6 - 4 7 9 1 3 蒋庄德，王久洪，卢德江微型旋转冲压发动机设计 与分析 J 机械工程学报，2 0 0 8 ，4 4 ( 1 1 ) ：2 0 2 5 J I AN G Z h u a n g d e ， WA NG J i u h o n g ， L U De j i a n g De s i gn and a n a l y s i s o f mi c r o r o t a t i n g r a m j e t J C h i n e s e J o u r n a l o f Me c h a n i c a l E n g i n e e r i n g ， 2 0 0 8 ， 4 4 ( 1 1 ) ：2 0 2 5 1 4 皮茨 D， 西索姆 L 传热学【 M】 2版北京：科学出版 社，2 0 0 2 DONALD P， LE I GHTON S S c h a u m s o u t l i n e o f the o r y and p r o b l e ms o f h e a t tr ans f e r M 2 n d e d B e ij i n g ： S c i e n c e P r e s s ， 2 0 0 2 作者简介：揭贵生，男，1 9 7 6年出生，博士，副研究员 。主要研究方向 为电力电子结构优化及电热统一设计。 E ma i l ：z h e n y u j i e l y a h o o c o mc n 孙驰，男，1 9 7 7年出生，博士，副教授。主要研究方向为电力电子与 电气传动控制技术。 E - ma i l ：s u n c h i 7 7 s i n a c o rn c n ( 上接第 9 8页) 8 】 KA K UR O A N e w J I T ” ：A n e w mana g e me n t t e c hno l o g y p r i n c i p l e a t T o y o ta J I n t e r n a ti o n a l J o u r n a l o f P r o d u c t i o n E c o n o mi c s 2 0 0 2 ， 8 0 ( 2 ) ：1 3 5 1 4 4 9 】 R AC HN A， S H A H， P E T WE T De fi n i n g and d e v e l o p i n g me asu r e s o f l e a n p r o d u c t i o n J J o u r n a l o f Op e r a t i o n s Ma n a g e me nt， 2 0 0 7 ， 2 5 ： 7 8 5 8 0 5 1 0 】 S A KU RA K ， R A P H A E L K T h e u s e o f a l e an p r o d u c ti o n i n d e x in e x p l a i n i n g t h e tra n s i t i o n t o g l o b a l c o mp e t i t i v e n e s s ： the a u t o c o mp o n e n t s s e c t o r i n S o u t h A fr i c a J T e c h n o v a ti o n ， 2 0 0 4 ， 2 4 ：1 9 9 2 0 6 1 1 】 F UL L E R T ON R R ， MC WA T T E RS C S Th e p r o d u c t i o n p e rf o r ma n c e b e n e fi t s f r o m J I T i m p l e me n t a ti o n J J o u r n a l o f Op e r a t i o n s M an a g e me n t ， 2 0 01 ， 1 9： 8 1 - 9 6 1 2 】 GE L I NAS R T h e J u s t - i n - t i me i mp l e me n t a t i o n p r o j e c t J I n t e r n a ti o n a l J o u r n a l o f P r o j e c t Ma n a g e me n t ， 1 9 9 9 ， 1 7 ： 1 7】 】 7 9 作者简介：张根保( 通信作者) ，男 ，1 9 5 3 年 出生，教授，博士研究生导 师。主要研究方 向为先进制造技术 、现代质量工程。 E ma i l ：g e n b a o z h a a g 2 6 3 n e t 付兴林，男， 1 9 8 3年出生， 硕士研究生。 主要研究方向为先进制造技术。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m