一种平板微热管阵列散热器优化方法与流程

本发明涉及机车牵引变流器散热领域，特别涉及一种平板微热管阵列散热器优化方法。

背景技术：

随着当今社会的快速发展，轨道交通成为更多人的出行选择。随着轨道交通的高速发展，各种大容量电力电子设备在机车的电力牵引系统中得以大量应用。在机车中，牵引变流器是实现电能与机械能转换的关键部件。其中，由IGBT晶体管组成的功率模块是牵引变流器最主要的统一化元件，伴随其高频率、大功率和高集成化的发展，设备单位面积的热流密度越来越高。同时，随着电力电子器件功率密度的不断增加和设备小型化的发展要求，功率器件的散热问题已成为影响其可靠性的主要因素。

大功率牵引变流器的散热方式有多种，如强迫风冷、水冷、油冷、走行风冷等。强迫风冷需要配备合适的风机和风道，而风机的使用存在一定的安全隐患，且运行时要考虑噪声控制。水冷或油冷系统较复杂，不仅需配备循环系统，且存在泄漏的风险。而走形风冷是利用机车行驶时，周围空气相对机车的运动与翅片通过强制对流散热，结构简单且不需要附加动力。因此众多学者提出“热管散热器+走行风冷”方式进行牵引变流器的散热，并对散热效果进行了数值模拟和实验验证。

国内学者Ding J、Tang Y T采用“热管散热器+走行风冷”方式简化柜体结构，并利用Fluent软件分析了其流速和温度的分布特点，结果表明热管散热器在较低的车辆运行速度下仍具有较好的散热效果，同时用实际应用情况验证了仿真结果的准确性。Meng Y J等使用专业热分析软件ICEPAK对已设计出的IGBT热管散热器进行数值模拟，得出不同工况下的温度场分布，验证该散热器散热效果。同时对模拟结果进行分析后优化出最优结构，使其结构更加简单，成本更加经济。国外学者X Perpina等阐述了基于热管的IGBT散热器高效节能、结构简单的优势，并通过实验探究了基于热管散热器+走形风冷方式的冷却系统下，电子元件的使用寿命对机车可靠性的影响。A Driss等基于RC热循环建立了IGBT模块热管散热器的模型，来确定IGBT的结温以及热源温度的频繁变动对热管温度的影响。

热管做为相变导热材料，相比单相实体导热材料不仅具有重量轻、效率高等优点，而且根据现有数据，热管的导热系数是普通金属的100倍以上，大约为30000～40000W/m·k。这是热管被广泛应用于电力电子设备散热的主要原因。可以看出，导热材料的导热系数直接影响了散热器的散热效果。因此，如果提高热管导热系数，散热器的散热效率势必会提高。

为提高热管导热效率，人们开始考虑将多根微型热管集成起来。早在20世纪90年代Peterson G P等提出了“微热管簇”的概念，针对矩形截面和三角形截面，在硅片上进行了实验研究。近年来，中国学者Zhao Y H等提出了完全意义上的平板微热管阵列的定义，即多个同时形成且彼此完全独立的微细热管组合在一起,而不仅仅是微通道阵列热管，各个微细热管间不连通,且每个微热管内表面可带有微槽群等强化换热的微结构。这样的平板微热管阵列具有承压能力强、与换热表面贴合良好、热输运能力强等诸多有点。研究结果表明，平板微热管阵列的热通量可达200W/cm2。

平板微热管阵列具有如下特点：

第一，内部的结构使得相变换热面积大大增加。其内部的微结构使得整个微热管的周面都有相变发生。

第二，微细热管之间的间壁在结构上起到了“加强筋”的作用，增强了平板微热管阵列的承压能力。因而平板微热管阵列的强度强于普通热管。

第三，平板微热管阵列的外形扁平，与换热面贴合良好，克服了常规圆形截面的重力热管需要增加特殊结构才能与换热面紧密贴合的缺点，减小了界面接触热阻。

如果将平板微热管阵列做为机车电力牵引变流器散热的导热材料，将原有的“热管散热器+走行风冷”方式优化为“平板微热管阵列散热器+走行风冷”方式。则能够极大的提升机车电力牵引变流器散热的散热效果。但是由于板微热管阵列的高导热性使得散热翅片的设计过程不能完全参照传统的热管散热器的翅片参数进行，因此要将平板微热管阵列散热器适应于机车电力牵引变流器散热，必须对其进行优化设计。不过根据现有的设计方法，尤其是散热器在设计上存在成本和尺寸等诸多限制的情况下，并不能快速高效地设计出适应于机车电力牵引变流器散热的平板微热管阵列散热器翅片参数，因此设计过程效率较低，缺少一套行之有效的翅片优化方法可以参照。

技术实现要素：

本发明的目的是克服上述现有技术中存在的问题，提供一种平板微热管阵列散热器优化方法，可以解决现有散热器设计方法无法高效地对平板微热管阵列散热器进行优化的问题。

本发明的技术方案是：一种平板微热管阵列散热器优化方法，包括如下步骤：

步骤一：优化翅片的厚度；

该步骤具体包括如下步骤：

(1)分别保持散热器翅片数量以及面积不变，根据设计要求选取若干组翅片厚度不同的散热器；

(2)建立散热器传热模型，使用专业的热分析软件，改变散热器传热模型中翅片厚度，对散热器传热模型的温度场和周围流场进行数值模拟，最终得到被散热体的温度场；

(3)比较步骤(2)得到的不同翅片厚度所对应的被散热体温度场，找出其中散热效果最好的翅片厚度，即为最优厚度值；

其中散热效果的评价方法为：以被散热体温度场模拟结果显示的最高温度和平均温度为依据，最高温度与平均温度低，则评价为散热效果好，反之散热效果差；

(4)筛选可接受的翅片厚度，淘汰所有不可接受的翅片厚度；其中翅片厚度的可接受标准为：被散热体温度场模拟结果显示的最高温度低于其额定设计温度；

(5)在可接受的翅片厚度中，将小于最优厚度值的翅片予以保留，将在步骤四进行量化对比；对于大于最优厚度值的翅片厚度按照步骤二进行优化；

步骤二：优化翅片的间距

1)通过逐步减少翅片的片数并同时评价散热效果来优化步骤一中的步骤(5)的可接受的翅片厚度中厚度大于最优厚度值的翅片；

2)控制翅片厚度不变，通过减小翅片片数来增大间距，采用与步骤一的步骤(2)中相同的数值模拟方式再次进行模拟，通过逐步减少每种厚度的翅片片数，找到与其对应的最优翅片片数即可；将记录结果在步骤四中进行量化对比；

如果减少翅片片数之前，各翅片数量都为A，如果翅片片数开始减小，但数值模拟结果显示其散热效果并没有改善，则进入步骤三进行优化；

步骤三：优化翅片面积

1)选择步骤二的步骤2)中最优翅片片数大于翅片数量A的翅片厚度，增大翅片面积；其中增大翅片面积的方法是：翅片面积以增加翅片初始面积的每0.5倍为一档进行增大；

2)每一次增大翅片面积后，再将翅片片数减小1，进行与步骤二的步骤2)中相同的数值模拟方式再次进行模拟；若发现翅片散热效果增强，则重复步骤二的步骤2)，如果散热效果没有增强，则继续按照步骤三的步骤1)中的方法增大翅片面积；

步骤四：经济成本比较

将步骤一到步骤三所有保留的翅片，根据其尺寸和模拟的温度场，按照下面公式(1)、(2)和(3)进行计算：

Q＝LHWρP (1)

其中Q为翅片材料总成本，单位：元；

L为翅片长度，单位：m；

H为翅片厚度，单位：m；

W为翅片宽度，单位：m；

ρ为翅片材料密度，单位：kg/m3；

P为翅片材料单价，单位：元/kg；

η＝TL-T/TL×100％ (2)

其中η为数值模拟最高温度超过额定设计温度的百分比；

TL为被散热体额定设计温度；

T为数值模拟最高温度；

r＝(H+a)×A×L×W/V×100％ (3)

其中r为散热器占整个设备有效空间的百分比

H为翅片厚度，单位：m；

a为翅片间距，单位：m；

A为翅片片数，单位：个；

L为翅片长度，单位：m；

W为翅片宽度，单位：m；

V为设备有效空间，单位：m3；

上述公式(1)表示优化过的翅片的总成本，公式(2)表示翅片的相对散热性能；公式(3)表示散热器占整个设备有效空间的百分比，反应了散热器的空间成本；根据公式(1)、(2)和(3)所代表的三个量化指标，结合设计要求，选出最后的翅片参数。

较佳地，步骤一中的步骤(2)中所述专业的热分析软件为Icepak软件或FLOTHERM软件。

较佳地，步骤二中的步骤1)中的逐步减少翅片的片数并同时评价散热效果的具体做法是：在保证翅片为整数的情况下逐步通过依次减少一个翅片的数量来减少翅片数量，并评价散热效果，其中散热效果的评价和步骤一中的步骤(3)中的散热效果的评价方法相同。

本发明的有益效果：本发明实施例中，提供一种平板微热管阵列散热器优化方法，对于初步设计阶段的散热器，如果被散热体温度高于设计要求，且散热器尺寸与成本有较严格限制，则按照此方法进行逐步优化，最后通过量化比对，可快速高效得到能满足设计要求的散热器参数。该优化方法具有以下优点：

1、对于初步设计阶段的散热器，如果被散热体温度高于设计要求，可用该方法优化散热器，快速高效将温度降至额定设计温度以下。

2、若散热器尺寸与成本有较严格限制，则按照本方法进行逐步优化可控制成本与尺寸在优化过程中的增加。

3、优化的最后步骤通过量化比对，设计人员可根据具体设计条件选择满足设计要求的散热器参数。

附图说明

图1为本发明方法的流程示意图；

图2不同厚度翅片对应的热源温度模拟结果；

图3(a)3mm厚度翅片的热源和背板的温度温度场分布；

图3(b)4mm厚度翅片的热源和背板的温度温度场分布；

图4为不同翅片厚度散热器热源的最高温度对比；

图5为4mm翅片散热器16片翅片模拟结果；

图6(a)为3mm厚度翅片温度场；

图6(b)为4mm厚度翅片温度场；

图7(a)为3mm翅片热源与背板温度场；

图7(b)为4mm翅片热源与背板温度场；

图8为翅片面积增加前后热源最高温度对比图。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明的一个具体实施方式进行详细描述，但应当理解本发明的保护范围并不受具体实施方式的限制。

如图1所示，本发明实施例提供了一种平板微热管阵列散热器优化方法，包括如下步骤：

步骤一：优化翅片的厚度；

该步骤具体包括如下步骤：

(1)分别保持散热器翅片数量以及面积不变，根据设计要求选取若干组翅片厚度不同的散热器；

(2)建立散热器传热模型，使用专业的热分析软件，改变散热器传热模型中翅片厚度，对散热器传热模型的温度场和周围流场进行数值模拟，最终得到被散热体的温度场；其中专业的热分析软件为Icepak软件或FLOTHERM软件；

(3)比较步骤(2)得到的不同翅片厚度所对应的被散热体温度场，找出其中散热效果最好的翅片厚度，即为最优厚度值；在散热过程中，由于翅片的厚度与翅片的间距在散热过程中是一对矛盾因素，因此在最初确定的原翅片间距不变的前提下，存在一个散热效果最好的厚度值，称为最优厚度值，厚度逐步大于或逐步小于该值，翅片散热效果逐步降低；

其中散热效果的评价方法为：以被散热体温度场模拟结果显示的最高温度和平均温度为依据，最高温度与平均温度低，则评价为散热效果好，反之散热效果差；

(4)筛选可接受的翅片厚度，淘汰所有不可接受的翅片厚度；其中翅片厚度的可接受标准为：被散热体温度场模拟结果显示的最高温度低于其额定设计温度，所述额定设计温度可以从被散热体性能参数表中查到；

(5)在可接受的翅片厚度中，将小于最优厚度值的翅片予以保留，将在步骤四进行量化对比；对于大于最优厚度值的翅片厚度按照步骤二进行优化；

步骤二：优化翅片的间距

1)通过逐步减少翅片的片数并同时评价散热效果来优化步骤一中的步骤(5)的可接受的翅片厚度中厚度大于最优厚度值的翅片按照下面提到的方法减小这部分翅片的片数。

逐步减少翅片的片数并同时评价散热效果的具体做法是：在保证翅片为整数的情况下逐步通过依次减少一个翅片的数量来减少翅片数量，并评价散热效果，其中散热效果的评价和步骤一中的步骤(3)中的散热效果的评价方法相同，也是以被散热体温度场模拟结果显示的最高温度和平均温度为依据，例如将翅片依次减小为18片、17片、16片等，由于翅片数量与翅片间隙在散热过程中是一对矛盾因素，因此必然存在散热效果最优翅片片数，如17片为最优翅片片数，则大于和小于该值的翅片数的散热效果都不如最优片数的效果；其中所有判断散热效果的依据都是一样的，就是步骤一中步骤(3)中的方法：散热效果的评价方法是以被散热物体温度场模拟结果显示的最高温度和平均温度为依据，最高温度与平均温度低，则散热效果好，反之散热效果差；

减小翅片片数的原因：如步骤一中步骤(3)所述，在散热过程中，由于翅片的厚度与翅片的间距在散热过程中是一对矛盾因素，因此厚度大于最优厚度值的翅片如果增大翅片间距，会有更大的散热潜力。同时，如果增加相变材料(微热管)的长度，则散热器的几何尺寸势必增加，将减少设备的有效空间，如此一来对散热器的优化就失去意义，因此不考虑增加相变材料长度，所以增大翅片间距只能减少翅片片数。

2)控制翅片厚度不变，通过减小翅片片数来增大间距，采用与步骤一的步骤(2)中相同的数值模拟方式再次进行模拟，通过逐步减少每种厚度的翅片片数，找到与其对应的最优翅片片数即可；将记录结果在步骤四中进行量化对比；

如果减少翅片片数之前，各翅片数量都为A，如果翅片片数开始减小，但数值模拟结果显示其散热效果并没有改善，说明该厚度翅片的最优翅片片数大于A，这种情况，优化翅片片数不再有意义，则进入步骤三进行优化；

步骤三：优化翅片面积

1)选择步骤二的步骤2)中最优翅片片数大于翅片数量A的翅片厚度，增大翅片面积；

其中增大翅片面积的方法是：考虑到翅片制作的工艺性，增大任意的倍数会给加工造成困难，因此翅片面积以增加翅片初始面积的每0.5倍为一档进行增大；如以1.5倍、2.0倍、2.5倍进行增大。

2)每一次增大翅片面积后，再将翅片片数减小1，进行与步骤二的步骤2)中相同的数值模拟方式再次进行模拟；若发现翅片散热效果增强，则重复步骤二的步骤2)，如果散热效果没有增强，则继续按照步骤三的步骤1)中的方法增大翅片面积；

步骤四：经济成本比较

将步骤一到步骤三所有保留的翅片，根据其尺寸和模拟的温度场，按照下面公式(1)、(2)和(3)进行计算：

Q＝LHWρP (1)

其中Q为翅片材料总成本，单位：元；

L为翅片长度，单位：m；

H为翅片厚度，单位：m；

W为翅片宽度，单位：m；

ρ为翅片材料密度，单位：kg/m3；

P为翅片材料单价，单位：元/kg；

η＝TL-T/TL×100％ (2)

其中η为数值模拟最高温度超过额定设计温度的百分比；

TL为被散热体额定设计温度；

T为数值模拟最高温度；

r＝(H+a)×A×L×W/V×100％ (3)

其中r为散热器占整个设备有效空间的百分比

H为翅片厚度，单位：m；

a为翅片间距，单位：m；

A为翅片片数，单位：个；

L为翅片长度，单位：m；

W为翅片宽度，单位：m；

V为设备有效空间，单位：m3；

上述公式(1)表示优化过的翅片的总成本，公式(2)表示翅片的相对散热性能，该值越高，表明其被散热体最高温度低于额定设计温度越多，在极端条件下散热器可靠性越高；公式(3)表示散热器占整个设备有效空间的百分比，反应了散热器的空间成本；根据公式(1)、(2)和(3)所代表的三个量化指标，结合设计要求，选出最后的翅片参数。

本发明方法的具体实践及效果分析如下：

1、翅片厚度优化

通过综合考虑翅片成本和工艺性，翅片的厚度从1mm,2mm,3mm,4mm中选择。控制翅片的片数和面积不变，保持平板微热管阵列的长度不变，分别模拟翅片厚度为1mm,2mm,3mm,4mm的工况。网格划分的方法和边界条件与上文相同。

显然本次优化的目的是降低热源最高温度，使其低于结温，因此主要以热源的最高温度衡量优化效果。图2为使用不同厚度的翅片散热，热源温度模拟结果。

从图2可以看出，热源的最高温度在翅片厚度增加至2mm后即可降至结温90℃以下，并在厚度为3mm时继续降至78.8℃，低于结温10℃以上。但是随着翅片厚度增加到4mm时，热源最高温度迅速回升至88.1℃，比翅片为2mm时的86.5℃还要高。分析出现此情况的原因为，在平板微热管阵列长度不变的前提下，增厚翅片的同时也减小了翅片的间距，间距过小影响了翅片与空气的对流效果，导致温度回升。不过由于优化结果已经低于IGBT模块结温，因而没有必要增加平板微热管阵列的长度来增加翅片的间隙，以获得更低的温度。

根据模拟结果，只考虑翅片厚度的前提下，厚度为3mm的翅片的散热效果最好。

2、翅片片数优化

根据上文的模拟结果和分析，考虑减少翅片的片数来增加翅片间距的方法，并探究是否可以改善散热情况。由于厚度为1mm和2mm的翅片在翅片间距已经大于3mm和4mm的情况下散热效果仍不如后者，因此在本次模拟时不予考虑。故本次仅优化3mm与4mm厚的翅片，分别把翅片数量从原来的20个变成17个。控制翅片的厚度和面积不变，保持平板微热管阵列的长度不变。网格划分的方法和边界条件与上文相同。

热源和背板的温度温度场分布见图3。其中，图3(a)3mm厚度翅片的热源和背板的温度温度场分布；图3(b)4mm厚度翅片的热源和背板的温度温度场分布；从图3可以看出，减少翅片的片数至17片后，3mm翅片散热器热源温度升高至将近80℃，4mm翅片散热器热源温度却降低至79.7℃。图4为翅片数分别为17片和20片的情况下，不同翅片厚度散热器热源的最高温度对比情况。

图4为不同翅片厚度散热器热源的最高温度对比；从图4可以看出，当翅片片数减少时，翅片厚度为3mm的散热器热源最高温度从78.8℃升高至近80℃，略有增加；而翅片厚度为4mm的散热器热源最高温度却从88.1℃大幅度降低至79.7℃。可见，减少翅片片数可以在一定程度上改善散热情况，不过翅片数目过少也会使散热效果变差。因此当厚度为4mm翅片的片数减少至16片时，热源温度上升至近80.9℃，高于17片时的79.7℃，见图5。这也说明厚度为4mm翅片从减少翅片片数的角度考虑，其最低温度为79.7℃，因此其散热效果不会优于3mm的翅片。

综上所述，减少翅片的片数可以在一定程度上改善散热情况，但不会带来更好的散热效果、更低的热源温度。

3、翅片面积优化

从图6可以看出，无论3mm还是4mm厚度翅片，其迎风面边缘的温度仍然较高，分别为45℃和49℃。因此考虑分别增加其翅片的面积，强化散热。其中6(a)为3mm厚度翅片温度场，图6(b)为4mm厚度翅片温度场。

分别将2种矩形翅片的宽增加到原来的1.5倍，即面积分别增加到原来的1.5倍。翅片的片数分别采用5.2中模拟出的最优结果。网格划分的方法和边界条件与上文相同。

热源和背板温度的温度场见图7。其中图7(a)为3mm翅片热源与背板温度场；图7(b)为4mm翅片热源与背板温度场。根据图7，两种翅片在面积增加后，热源温度均有降低，从图8所示的面积增加前后的热源最高温度对比图可更清晰看出。

图8翅片面积增加前后热源最高温度对比；可以看出翅片面积变成原来的1.5倍后，3mm翅片厚度的散热器热源最高温度降低至72.4℃，降低6.4℃；4mm翅片厚度的散热器热源最高温度降低至72.6℃，降低7.1℃。两种热源的最高温度只相差0.2℃，且翅片厚度为4mm散热器对应的热源温度降低更快。

综上所述，经过一步步优化，叠加以上三方面优化结果后，热源的最高温度已经由最初方案的93℃降低至72℃左右，低于结温90℃近20℃。优化的结果已经完全能够保证IGBT的正常运行，因此通过优化翅片的参数优化平板微热管阵列散热器的途经可以告一段落。根据模拟的效果，并考虑翅片的成本，显然厚度为3mm的翅片，翅片的宽度增加至原来的1.5倍的优化方案是既考虑了热源温度，又本着控制散热器体积和成本、提高可靠性的原则的最优选择。

以上公开的仅为本发明的几个具体实施例，但是，本发明实施例并非局限于此，任何本领域的技术人员能思之的变化都应落入本发明的保护范围。