變頻器散熱設(shè)計(jì).doc

/bbs/show.asp?id=232討論 變頻器散熱設(shè)計(jì)以下資料主要是在網(wǎng)上搜集來的，加了點(diǎn)個(gè)人的理解，目的是將其作為自己在散熱知識(shí)掌握程度的一個(gè)小結(jié)，希望對(duì)同行設(shè)計(jì)人員有個(gè)參考作用，由于本人學(xué)識(shí)膚淺，更希望得到同行老師指點(diǎn)一二，我將受益不菲！下面開始了以18.5KW變頻器舉例通常散熱器的設(shè)計(jì)分為三步1:根據(jù)相關(guān)約束條件設(shè)計(jì)處輪廓圖。2:根據(jù)散熱器的相關(guān)設(shè)計(jì)準(zhǔn)則對(duì)散熱器齒厚、齒的形狀、齒間距、基板厚度進(jìn)行優(yōu)化。3:進(jìn)行校核計(jì)算變頻器發(fā)熱主要是來自功率模塊IGBT和整流橋，必須通過散熱器導(dǎo)熱，采用自然風(fēng)冷或強(qiáng)迫風(fēng)冷將熱量散發(fā)出去?！吧崞骼鋮s方式的判斷對(duì)通風(fēng)條件較好的場(chǎng)合：散熱器表面的熱流密度小于0.039W/cm2，可采用自然風(fēng)冷。對(duì)通風(fēng)條件較惡劣的場(chǎng)合：散熱器表面的熱流密度小于0.024W/cm2，可采用自然風(fēng)冷。對(duì)通風(fēng)條件較好的場(chǎng)合，散熱器表面的熱流密度大于0.039W/cm2而小于0.078W/cm2，必須采用強(qiáng)迫風(fēng)冷。對(duì)通風(fēng)條件較惡劣的場(chǎng)合： 散熱器表面的熱流密度大于0.024W/cm2而小于0.078W/cm2，必須采用強(qiáng)迫風(fēng)冷”注：“ ”中的文字是轉(zhuǎn)摘來的， 不知道依據(jù)，也不太理解 。以下同，不再說明！“自然冷卻散熱器的設(shè)計(jì)方法考慮到自然冷卻時(shí)溫度邊界層較厚，如果齒間距太小，兩個(gè)齒的熱邊界層易交叉，影響齒表面的對(duì)流，所以一般情況下，建議自然冷卻的散熱器齒間距大于12mm，如果散熱器齒高低于10mm，可按齒間距1.2倍齒高來確定散熱器的齒間距，一般 齒間距= 0.039W/cm2計(jì)算出來的散熱器表面的熱流密度，遠(yuǎn)大于限制的0.039W/cm2，就算加長(zhǎng)加厚散熱器，增大表面積，也遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，所以不能采用自然風(fēng)冷，要采用強(qiáng)迫風(fēng)冷散熱器的布置見下圖“也有將散熱器熱阻RTf來作為選擇散熱器的主要依據(jù)。Tj、RTj是半導(dǎo)體器件提供的參，P是耗散功率，RTc可以從熱設(shè)計(jì)專業(yè)書籍中查到。下面介紹一下散熱器的選擇。 （1）自然冷卻散熱器的選擇 首先按以下式子計(jì)算總熱阻RT和散熱器的熱阻RTf，即： RT=(Tjmax-Ta)/Pc RTf=RT-RTj-RT。 算出RT和RTf之后，可根據(jù)RTf和P來選擇散熱器。選擇時(shí)，根據(jù)所選散熱RTf和P曲線，在橫坐標(biāo)上查出已知P，再查出與P對(duì)應(yīng)的散熱器的熱阻RTf。 按照RTfRTf的原則選擇合理的散熱器即可。 （2）強(qiáng)迫風(fēng)冷散熱器的選擇 強(qiáng)迫風(fēng)冷散熱器在選擇時(shí)應(yīng)根據(jù)散熱器的熱阻RTf和風(fēng)速來選擇合適的散熱器?！庇钟幸?“1. 概念 (1) 元件工作結(jié)溫Tj：即元件允許的最高工作溫度極限。本參數(shù)由制造廠提供，或產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)制給出要求。(2) 元件的損耗功率P：元件在工作時(shí)自身產(chǎn)生的平均穩(wěn)態(tài)功率消耗，定義為平均有效值輸出電流與平均有效值電壓降的乘積。 (3) 耗散功率Q：特定散熱結(jié)構(gòu)的散熱能力。 (4) 熱阻R：熱量在媒質(zhì)之間傳遞時(shí)，單位功耗所產(chǎn)生的溫升。 R = T / Q 2. 散熱器的選配 設(shè)環(huán)境溫度為Ta。散熱器的配置目的，是必須保證它能將元件的熱損耗有效地傳導(dǎo)至周圍環(huán)境，并使其熱源即結(jié)點(diǎn)的溫度不超過Tj。用公式表示為 P Q = ( Tj - Ta ) / R (當(dāng)然，熱量的消散除對(duì)流傳導(dǎo)外，還可輻射。在后面討論) 而熱阻又主要由三部分組成： R = Rjc + Rcs + Rsa Rjc：結(jié)點(diǎn)至管殼的熱阻； Rcs：管殼至散熱器的熱阻； Rsa：散熱器至空氣的熱阻。 其中，Rjc與元件的工藝水平和結(jié)構(gòu)有很大關(guān)系，由制造商給出。 Rcs與管殼和散熱器之間的填隙介質(zhì)（通常為空氣）、接觸面的粗糙度、平面度以及安裝的壓力等密切相關(guān)。介質(zhì)的導(dǎo)熱性能越好，或者接觸越緊密，則Rcs越小。 (參考值：我廠凸臺(tái)元件的風(fēng)冷安裝，一般可考慮Rcs0.1Rjc) Rsa是散熱器選擇的重要參數(shù)。它與材質(zhì)、材料的形狀和表面積、體積、以及空氣流速等參量有關(guān)。 綜合和，可得 Rsa =1.5Q風(fēng)選用臺(tái)灣建準(zhǔn) KD2412PMBX_6A 風(fēng)量120CFM= 3.4m3/min根據(jù)冷卻方案，確定了強(qiáng)迫風(fēng)冷，重新選定散熱器，選擇無錫鴻祥散熱器有限公司的插片式散熱器，見圖，輪廓尺寸是根據(jù)元器件的放置大致初定的，下面就要校核。 散熱器的校核計(jì)算換熱方程式 Q熱=h.Atf 式中: Q熱 電子設(shè)備的耗熱，W h 總換熱系數(shù)，W/m2 A 有效換熱面積，m2 t 對(duì)流平均溫差， f 換熱效率 這個(gè)公式是電子設(shè)備熱設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)手冊(cè)上查到的，不會(huì)有錯(cuò)，就看怎么理解參數(shù)了。但中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第14研究所 夏愛清的那篇文章上的公式與之相比有點(diǎn)區(qū)別，摘錄如下： 以下簡(jiǎn)稱夏文 “Q0=hPLC(t0-tf) 設(shè)定f為肋片散熱效率，則實(shí)際散熱量為： Q= Q0f=hPLCtf 式中，h為對(duì)流換熱系數(shù)，W/m2；P為肋片橫截面周長(zhǎng)，m；Lc為修正長(zhǎng)度，m；t為流體與壁面的溫差，。 設(shè)定肋基溫度為+80，用整機(jī)的高溫環(huán)境溫度+50作為進(jìn)口空氣溫度，設(shè)定出口空氣溫度為+60 ，則： t=80-50=30 定性溫度為tf =(60+50)/2=55” 這里將t=30，我理解為散熱器鋁片與環(huán)境溫度差 但P.LC 不理解，肋片橫截面周長(zhǎng)*修正長(zhǎng)度，得到的結(jié)果是什么面積呢？回到換熱公式，先來求h，總換熱系數(shù) h=.Nu/d 式中： h 換熱系數(shù) W/m2. 空氣的換熱系數(shù) W/m. 0.029W/(mK) Nu 努謝爾特?cái)?shù) d 當(dāng)量直徑，m 當(dāng)量直徑 d=4A/U 式中： A 散熱片中每?jī)蓚€(gè)肋片圍成的面積 ，m2 U 散熱片中每?jī)蓚€(gè)肋片圍成的周長(zhǎng)，m 從圖3可以看出 每?jī)蓚€(gè)肋片圍成的尺寸是 5.2*79 d=4A/U=4*0.0052*0.079/2(0.0052+0.079)=0.00976m 下面求 努謝爾特?cái)?shù) Nu 要求出 努謝爾特?cái)?shù) Nu ，先要求出 雷諾數(shù) Re Re=vd/ 式中： Re 雷諾數(shù) v 空氣流速 m/s d 當(dāng)量直徑 m 運(yùn)動(dòng)粘度 18.910-6m2/s 空氣流速 v和風(fēng)機(jī)相關(guān)，v=Q風(fēng)*90%/A Q風(fēng) 風(fēng)機(jī)的標(biāo)稱通風(fēng)量 考慮到側(cè)隙和底縫及同風(fēng)量不均勻等因素，所以按90%計(jì)算 A 通風(fēng)孔的面積 這個(gè)我也有疑慮，是機(jī)箱出風(fēng)口面積還是進(jìn)風(fēng)口的面積，又或是散熱器的肋板風(fēng)道面積呢？夏文中，風(fēng)機(jī)是貼著板壁放置，向里吹風(fēng)，所以此面積是機(jī)箱板壁進(jìn)風(fēng)口的面積，我的這個(gè)沒有板壁阻擋，只有安全罩，向外排風(fēng)的，面積應(yīng)該采用哪個(gè)呢，我這里采用機(jī)箱上部出風(fēng)口的孔洞面積，120*120 mm2 v=Q風(fēng)*90%/A=4.2*90%/(0.12*0.12)=262.5(m/min)=4.375(m/s) Re=vd/ =4.375*0.00976/18.910-6=2259 由2200Re104可知，空氣在散熱器內(nèi)為強(qiáng)制紊流，則由下面的公式計(jì)算出努謝爾特?cái)?shù)，即 Nu=0.116(Re2/3-125)Pr1/31+(d/L)2/3(/)0.14 式中： Re 雷諾數(shù) Pr 普郎特?cái)?shù) 查得 Pr=0.7 d 當(dāng)量直徑 m L 散熱器長(zhǎng)度 m 初步定為220mm 動(dòng)力粘度 20.110-6kg/(m.s) 為空氣定性溫度為+50C時(shí)的動(dòng)力粘度，19.610-6 kg/(m.s) 上式是夏文引用的。在電子設(shè)備手冊(cè)中，也提到到了努謝爾特?cái)?shù)Nu計(jì)算， Re104 紊流 狀態(tài) Nu=0.023Re0.8.Pr0.4 偏沒有2200Re104時(shí)的公式，郁悶！所以這里采用夏文中的公式。 Nu=0.116(Re2/3-125)Pr1/31+(d/L)2/3(/)0.14 =0.116(22592/3-125)*0.71/31+(0.00976/0.22)2/3*(19.6*10-6/20.1*10-6)0.14=5.5 現(xiàn)在可以計(jì)算對(duì)流換熱系數(shù)了 h=.Nu/d=0.029*5.5/0.00976=16.34 (w/m2.k) 再來計(jì)