针肋式散热器水道结构参数的优化设计

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1、1引言在石油资源枯竭加速、环境污染加重、高油价居高不下的情况下，作为石油消费的大国，走可持续发展道路、发展新能源汽车已成为我国的迫切任务。控制器作为电动汽车的逆变器，逆变器与现代电力电子装置密不可分，作为控制器的核心部件，这就要求电力电子装置具有高可靠性、高功率密度、高效率。IGBT是电力电子装置中的大功率器件，正常工作时散发大量的热量，控制器中的大量电子器件受温度影响特别大，温度过高就会严重影响电子器件的可靠性，因此，如何有效的把IGBT产生的热量带走是一个非常关键的问题。实际中对一个优化问题的处理，主要有两个步骤：首先要把工程设计问题转化成数学模型；然后按照数学模型的

2、特点选择优化方法及其计算程序，作必要的简化和加工，用计算机求得最优方案【3】。本文中IGBT的冷却是通过水冷散热器来实现的，结构采用针肋式，研究发现散热器的热阻对散热器的效率影响特别大，而热阻又与散热器的结构密切相关，因此，如何优化散热器的结构参数对于提高散热器的效率显得尤为重要。方案2建立针肋散热器理论模型与计算分析1、针肋结构参数图1如图1所示为针肋散热器其中一个水道的尺寸结构，w为水道宽，L为水道长度，s为针肋间距，d为针肋直径2、针肋的传热过程大功率器件IGBT产生的热量经过散热器铝基板的导热、冷却液与针肋表面的对流换热和冷却液的对流将热量传导出去。热量的传导主要

3、过程包括：铝基板导热Φcond、对流换热Φconv、冷却液对流换热Φflud。Φcond=t1-t2δλAΦconv=t2-tf1hav（ηfinAfin＋Awall）Φflud=CpQm（tout-tin）传热量由能量守恒定律得到Φ=Φcond=Φconv=ΦfludΦ=t1-tinδλΑ+1hav（ηfinAfin+Awall）+式中δλΑ、1hav（ηfinAfin＋Awall）、2CpQm分别为铝基板热阻Rcond、对流换热热阻Rconv、冷却液产生的热阻Rflud，δ为铝基板厚度，A为铝基板有效导热面积，m2；λ为铝基板的导热率，w∙m-1∙℃-1；t1、t2分

4、别为铝基板上表面、对流换热表面的温度，℃；tf为冷却液平均温度，℃；hav为对流传热系数，w∙m-2∙k-1；ηfin为针肋效率；Afin为针肋侧面积，m2，Awall为未被针肋占据的壁面积，m2；Cp为冷却液的定压比热容，j∙kg-1∙k-1；Qm为质量流量，kg∙s-1；tout、tin分别为水道出水口、入水口的温度，℃；3、散热器效率推导根据水冷散热器效率的推导公式[5]η=△Tm△Ts=△Tm△Tm+Φ（Rcond+Rconv）式中△Tm=Φ2QmCp为冷却液的平均温升，△Ts为散热器的平均温升。在IGBT的发热量和流量一定的前提下，△Tm一定，由于铝基板结构确定

5、以后，Rcond也一定，则散热器的效率取决于Rconv，当对流换热热阻越小，冷却液温升所占的温升比例就越大。冷却液所带走的热量也就越多，从而散热器的效率也就越高。4针肋结构参数的优化设计在实际工作中，一定结构尺寸的针肋散热器的质量越小、则散热器散热性能越好。由于影响散热器传热效率的因素主要是对流换热，流体流过针肋具有复杂的流体力学特征，这一过程的复杂性主要表现在被扰流针肋表平面的局部传热系数的分布上。冷却液流过针肋表面时，由于其结构的复杂性，现有的众多文献表明[],平均换热系数的大小受针肋的直径、间距及针肋长度影响很大。因此确定有效的散热器针肋的参数对于增大对流换热系数、

6、降低对流换热热阻、提高散热器换热效率具有重要意义。在满足系统压力损失和流量一定的前提下，如何通过优化针肋直径d、针肋高l、针肋间距s，来保证散热器效率最高成为设计的关键，因此，通过优化d、l、s使Rconv最小，就可以实现散热器的优化设计。根据文献[5]，定义量纲散热热阻Rflud，由式（）得Rfnal=Rconvηfin=1ηfinAfin+Awall=1ηfin×3πdl+44s-0.75πd2其中ηfin=tanhmlml，m=havλd由于havλd≫1，所以e-ml→0，则tanhml≈1由上式可知，如果要求散热器效率η越高，则Rconv需要越小，可见Rconv

7、与Rflud在优化目标上是一致的。令函数f（d，l，s）=3πd×1havλd-0.75πd2+44s。求热阻Rfnal的最小值，即求f（d，l，s）=3πd×1havλd-0.75πd2+44l最大值。根据文在优化参数选择时，可先固定其中任意两个参数，则f（d，l，s）只与一个参数有关。这样就可以通过对f（d，l，s）求导，研究导函数在变量区间上的极性，从而推导函数的极大值。（1）优化设计d当l，s一定时，f（d，l，s）对d求导dfdd=3π×32×d12×（λhav）12-32πd令3（λhav）12=K式（）等于dfd