變頻器散熱設計.doc

/bbs/show.asp?id=232討論 變頻器散熱設計以下資料主要是在網(wǎng)上搜集來的，加了點個人的理解，目的是將其作為自己在散熱知識掌握程度的一個小結，希望對同行設計人員有個參考作用，由于本人學識膚淺，更希望得到同行老師指點一二，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計分為三步1:根據(jù)相關約束條件設計處輪廓圖。2:根據(jù)散熱器的相關設計準則對散熱器齒厚、齒的形狀、齒間距、基板厚度進行優(yōu)化。3:進行校核計算變頻器發(fā)熱主要是來自功率模塊IGBT和整流橋，必須通過散熱器導熱，采用自然風冷或強迫風冷將熱量散發(fā)出去?！吧崞骼鋮s方式的判斷對通風條件較好的場合：散熱器表面的熱流密度小于0.039W/cm2，可采用自然風冷。對通風條件較惡劣的場合：散熱器表面的熱流密度小于0.024W/cm2，可采用自然風冷。對通風條件較好的場合，散熱器表面的熱流密度大于0.039W/cm2而小于0.078W/cm2，必須采用強迫風冷。對通風條件較惡劣的場合： 散熱器表面的熱流密度大于0.024W/cm2而小于0.078W/cm2，必須采用強迫風冷”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計方法考慮到自然冷卻時溫度邊界層較厚，如果齒間距太小，兩個齒的熱邊界層易交叉，影響齒表面的對流，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計算出來的散熱器表面的熱流密度，遠大于限制的0.039W/cm2，就算加長加厚散熱器，增大表面積，也遠遠不夠，所以不能采用自然風冷，要采用強迫風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是半導體器件提供的參，P是耗散功率，RTc可以從熱設計專業(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，根據(jù)所選散熱RTf和P曲線，在橫坐標上查出已知P，再查出與P對應的散熱器的熱阻RTf。 按照RTfRTf的原則選擇合理的散熱器即可。 （2）強迫風冷散熱器的選擇 強迫風冷散熱器在選擇時應根據(jù)散熱器的熱阻RTf和風速來選擇合適的散熱器?！庇钟幸?“1. 概念 (1) 元件工作結溫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)品標準強制給出要求。(2) 元件的損耗功率P：元件在工作時自身產(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：特定散熱結構的散熱能力。 (4) 熱阻R：熱量在媒質(zhì)之間傳遞時，單位功耗所產(chǎn)生的溫升。 R = T / Q 2. 散熱器的選配 設環(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至周圍環(huán)境，并使其熱源即結點的溫度不超過Tj。用公式表示為 P Q = ( Tj - Ta ) / R (當然，熱量的消散除對流傳導外，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：結點至管殼的熱阻； 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構有很大關系，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。介質(zhì)的導熱性能越好，或者接觸越緊密，則Rcs越小。 (參考值：我廠凸臺元件的風冷安裝，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。 綜合和，可得 Rsa =1.5Q風選用臺灣建準 KD2412PMBX_6A 風量120CFM= 3.4m3/min根據(jù)冷卻方案，確定了強迫風冷，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。 散熱器的校核計算換熱方程式 Q熱=h.Atf 式中: Q熱 電子設備的耗熱，W h 總換熱系數(shù)，W/m2 A 有效換熱面積，m2 t 對流平均溫差， f 換熱效率 這個公式是電子設備熱設計標準手冊上查到的，不會有錯，就看怎么理解參數(shù)了。但中國電子科技集團公司第14研究所 夏愛清的那篇文章上的公式與之相比有點區(qū)別，摘錄如下： 以下簡稱夏文 “Q0=hPLC(t0-tf) 設定f為肋片散熱效率，則實際散熱量為： Q= Q0f=hPLCtf 式中，h為對流換熱系數(shù)，W/m2；P為肋片橫截面周長，m；Lc為修正長度，m；t為流體與壁面的溫差，。 設定肋基溫度為+80，用整機的高溫環(huán)境溫度+50作為進口空氣溫度，設定出口空氣溫度為+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*修正長度，得到的結果是什么面積呢？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 努謝爾特數(shù) d 當量直徑，m 當量直徑 d=4A/U 式中： A 散熱片中每兩個肋片圍成的面積 ，m2 U 散熱片中每兩個肋片圍成的周長，m 從圖3可以看出 每兩個肋片圍成的尺寸是 5.2*79 d=4A/U=4*0.0052*0.079/2(0.0052+0.079)=0.00976m 下面求 努謝爾特數(shù) Nu 要求出 努謝爾特數(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 當量直徑 m 運動粘度 18.910-6m2/s 空氣流速 v和風機相關，v=Q風*90%/A Q風 風機的標稱通風量 考慮到側隙和底縫及同風量不均勻等因素，所以按90%計算 A 通風孔的面積 這個我也有疑慮，是機箱出風口面積還是進風口的面積，又或是散熱器的肋板風道面積呢？夏文中，風機是貼著板壁放置，向里吹風，所以此面積是機箱板壁進風口的面積，我的這個沒有板壁阻擋，只有安全罩，向外排風的，面積應該采用哪個呢，我這里采用機箱上部出風口的孔洞面積，120*120 mm2 v=Q風*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)為強制紊流，則由下面的公式計算出努謝爾特數(shù)，即 Nu=0.116(Re2/3-125)Pr1/31+(d/L)2/3(/)0.14 式中： Re 雷諾數(shù) Pr 普郎特數(shù) 查得 Pr=0.7 d 當量直徑 m L 散熱器長度 m 初步定為220mm 動力粘度 20.110-6kg/(m.s) 為空氣定性溫度為+50C時的動力粘度，19.610-6 kg/(m.s) 上式是夏文引用的。在電子設備手冊中，也提到到了努謝爾特數(shù)Nu計算， Re104 紊流 狀態(tài) Nu=0.023Re0.8.Pr0.4 偏沒有2200Re104時的公式，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)在可以計算對流換熱系數(shù)了 h=.Nu/d=0.029*5.5/0.00976=16.34 (w/m2.k) 再來計