執(zhí)行器翅片散熱器多參數(shù)尺寸優(yōu)化設(shè)計(jì)

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摘要：翅片式散熱器在執(zhí)行器的控制元件散熱領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用。針對(duì)定制型的翅片式散熱器設(shè)計(jì)，對(duì)散熱器的四種關(guān)鍵尺寸進(jìn)行了多參數(shù)優(yōu)化仿真，以質(zhì)量最小為目標(biāo)，以溫升為約束，同時(shí)考慮鑄造工藝影響，設(shè)計(jì)出了溫升滿足設(shè)計(jì)要求且質(zhì)量最優(yōu)的翅片散熱器，經(jīng)實(shí)驗(yàn)測(cè)量，仿真與試驗(yàn)結(jié)果吻合較好，有效降低研發(fā)成本、縮短研發(fā)周期。

關(guān)鍵詞：散熱器；自然對(duì)流；尺寸優(yōu)化；數(shù)值模擬；實(shí)驗(yàn)測(cè)量

引言

隨著工業(yè)自動(dòng)化的發(fā)展，電動(dòng)執(zhí)行器因其自動(dòng)化水平高，動(dòng)力源易取得等優(yōu)勢(shì)，廣泛應(yīng)用于電力、石油、化工、冶金等行業(yè)的閥門控制和調(diào)節(jié)中［1］。電動(dòng)執(zhí)行器因其工作過(guò)程中，控制元件會(huì)產(chǎn)生較大的熱量，使其控制模塊溫度快速升高，影響運(yùn)行的穩(wěn)定性、可靠性和使用壽命［2，3］，僅靠封裝外殼的散熱往往無(wú)法滿足散熱要求，常借助于外部器件來(lái)創(chuàng)造良好的散熱條件。常用的散熱方法有自然對(duì)流散熱、強(qiáng)制對(duì)流散熱、液冷散熱、熱管散熱等［4］。對(duì)于執(zhí)行器這類以金屬鑄件為主、使用環(huán)境惡劣的產(chǎn)品，采用自然對(duì)流散熱的散熱方式具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、容易實(shí)現(xiàn)且可靠性高的特點(diǎn)，其中，翅片散熱器因其無(wú)活動(dòng)部件、性能穩(wěn)定、且制造成本低等優(yōu)點(diǎn)，在執(zhí)行器中應(yīng)用最廣泛。由于執(zhí)行器結(jié)構(gòu)及功能的特殊性，在散熱器設(shè)計(jì)中還需兼顧安裝空間的限制，因此多為特定型號(hào)特殊定制散熱器。執(zhí)行器用翅片散熱器主要由基板和翅片構(gòu)成，通過(guò)控制翅片厚度、高度、間距，及基板厚度、形狀、材料等參數(shù)來(lái)控制散熱效率。對(duì)于散熱效率的控制，多采用制作樣機(jī)并實(shí)驗(yàn)測(cè)量的方式來(lái)確定散熱器的散熱效果，如果溫升不滿足，往往需要反復(fù)打樣及實(shí)驗(yàn)，既增加研發(fā)成本，又影響研發(fā)效率。大量學(xué)者對(duì)多種類型的翅片散熱器的進(jìn)行了研究。AvramBar－Cohen［5］通過(guò)理論創(chuàng)建計(jì)算模型，對(duì)垂直布置式散熱器進(jìn)行了研究，黃曉明等［6］、李紅月等［7］大量學(xué)者［8－11］對(duì)散熱器進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，謝少英等［12］采用復(fù)合形優(yōu)化算法對(duì)型材散熱器各幾何參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，崔萬(wàn)新等［13］對(duì)影響散熱器散熱性能的幾何因素進(jìn)行分析，徐鵬程等［14］建立了三維熱管散熱器模型研究了翅片厚度及間距對(duì)散熱性能的影響，但該類分析多針對(duì)強(qiáng)制對(duì)流型散熱器，對(duì)自然對(duì)流冷卻的散熱器研究較少。筆者針對(duì)某型執(zhí)行器的定制散熱器，采用數(shù)值模擬與試驗(yàn)研究方法，分析其尺寸參數(shù)對(duì)散熱性能的影響，并給出在節(jié)約成本，合理散熱下的最優(yōu)設(shè)計(jì)尺寸，通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證最優(yōu)設(shè)計(jì)散熱性能的可靠性。

1仿真及驗(yàn)證

1．1模型建立

筆者所研究的翅片散熱器模型如圖1所示，由IGBT板、基板、翅片組成。其中，由于散熱器安裝空間已定，故基板直徑不可變動(dòng)，翅片高度只可降低，不可增高，因此，以基板厚度d、翅片厚度t、翅片間距s、翅片高度h為優(yōu)化設(shè)計(jì)變量，以穩(wěn)態(tài)溫升為約束，以質(zhì)量最小化為目標(biāo)進(jìn)行優(yōu)化。在給定散熱器基板尺寸條件下，其尺寸優(yōu)化問(wèn)題的數(shù)學(xué)描述為：目標(biāo)：散熱器質(zhì)量M最小化；變量：8mm≤基板厚度d≤12mm；20mm≤翅片高度h≤25mm；3mm≤翅片厚度t≤5mm；4mm≤翅片間距s≤14mm；約束：溫升△T≤30℃。值得指出的是，由于執(zhí)行器用散熱器采用低壓鑄造工藝及機(jī)加工工藝生產(chǎn)制造，為控制成本和保證加工精度，翅片厚度不能過(guò)薄，需大于等于3mm。且在優(yōu)化過(guò)程中，翅片均布于散熱器基板上，在翅片間距改變時(shí)，翅片數(shù)量會(huì)相應(yīng)的增多或減少，不會(huì)出現(xiàn)大于翅片間距而無(wú)翅片分布的情況。初始翅片散熱器的幾何參數(shù)如表1所列。散熱器多參數(shù)優(yōu)化分析在SolidWorkssimulation軟件中進(jìn)行，散熱器為固體域，材料為6061鋁合金，將其附近一定區(qū)域內(nèi)的空間設(shè)置為流體域，介質(zhì)為空氣，為模擬偏惡劣的情況，周圍空氣無(wú)強(qiáng)制散熱條件，只有溫差作用引起的浮力作用，即自然對(duì)流中引入了Boussinesq假設(shè)。此外，分析中考慮了發(fā)熱模塊的恒定發(fā)熱功率，輻射散熱，接觸面熱阻因素。在給定邊界條件后，首先驗(yàn)證了網(wǎng)格無(wú)關(guān)性，對(duì)模型設(shè)置不同尺寸劃分網(wǎng)格，驗(yàn)證初始模型的最終溫升，結(jié)果如圖2所示。最后三種網(wǎng)格所得溫度偏差非常小，表明此時(shí)溫升結(jié)果不受網(wǎng)格密度影響，故取網(wǎng)格數(shù)33617進(jìn)行尺寸優(yōu)化計(jì)算。為驗(yàn)證熱分析的可靠性，將現(xiàn)有幾何尺寸下仿真所得溫升結(jié)果與試驗(yàn)測(cè)量相比較，現(xiàn)有散熱器產(chǎn)品試驗(yàn)測(cè)量溫升為36℃，仿真所得溫升為35．98℃，與試驗(yàn)結(jié)果吻合較好，證明散熱分析的方法和結(jié)果可靠。

1．2參數(shù)優(yōu)化

根據(jù)優(yōu)化設(shè)計(jì)所設(shè)置的約束條件，共有162種工況。對(duì)每一種工況進(jìn)行三維模型重建和溫度場(chǎng)分析，得到所有工況的溫度和散熱器質(zhì)量。優(yōu)化篩選出溫升小于30℃的最優(yōu)的兩種工況，如表2所列?？梢?jiàn)，兩種結(jié)果的溫升非常接近，主要差異在于基板的間距不同。根據(jù)低壓鑄造要求，因翅片相對(duì)較密，鑄件需一定的拔模角度，壓鑄廠家建議拔模角度為2．25°。考慮拔模角度，依據(jù)工況1、工況2所得尺寸重新建模并重新仿真。結(jié)果表明：間距6mm工況，溫升為26．9℃，間距8mm工況，溫升為25．2℃，間距6mm工況的溫升較大。分析原因可能在于，間距為6mm時(shí)，考慮拔模角度，翅片根部實(shí)際間距只有3．8mm，間距過(guò)小，在翅片根部容易形成熱邊界層重疊區(qū)域，影響散熱效率。因此，基板厚度d＝8mm，翅片高度h＝25mm，翅片厚度t＝4mm，翅片間距s＝8mm，為翅片散熱器的最終設(shè)計(jì)尺寸。最優(yōu)工況下，散熱器工作15min時(shí)的溫度云圖如圖3所示，其最高溫度為45．2℃，環(huán)境溫度20℃，溫升為25．2℃，此時(shí)，通過(guò)散熱器中心的截面溫度云圖和速度矢量圖如圖4、圖5所示，其溫升為24．7℃，由自然對(duì)流產(chǎn)生的風(fēng)速大小為0．5m／s。1．3試驗(yàn)對(duì)比依照仿真所得的最優(yōu)結(jié)果進(jìn)行打樣，并進(jìn)行溫升試驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)執(zhí)行器如圖6所示。目前，翅片散熱器散熱效果的試驗(yàn)方法為：將對(duì)應(yīng)型號(hào)的執(zhí)行器結(jié)構(gòu)安裝完成，依照S2工作制持續(xù)運(yùn)行15min，其中，0～14min35s范圍內(nèi)，執(zhí)行器以100％速度運(yùn)行，輸出1／3力矩，14min35s～15min范圍內(nèi)，執(zhí)行器以40％速度運(yùn)行，輸出額定力矩，在運(yùn)行過(guò)程中，IGBT溫度會(huì)在顯示面板中實(shí)時(shí)顯示，記錄IGBT溫升數(shù)值，末溫以15min運(yùn)行后溫度持續(xù)上升的最高值為準(zhǔn)。經(jīng)實(shí)驗(yàn)測(cè)量，該IGBT的最高溫升為22℃，與仿真所得的25．2℃基本吻合。

2結(jié)論

針對(duì)執(zhí)行器控制元件的散熱要求較高，多采用特定型號(hào)特殊定制翅片式散熱器的特點(diǎn)，對(duì)某型執(zhí)行器用翅片式散熱器結(jié)構(gòu)的主要尺寸參數(shù)進(jìn)行了多參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)，包括基板厚度、翅片高度、翅片間距、翅片厚度四個(gè)主要參數(shù)，給定了參數(shù)的合理范圍，并以質(zhì)量最小為目標(biāo)條件，以溫升限制為約束條件，從多種組合工況中選擇了最優(yōu)尺寸組合，并考慮鑄造工藝重新建模仿真，得到了尺寸最優(yōu)、散熱最優(yōu)、質(zhì)量最小的翅片式散熱器，即基板厚度為8mm，翅片厚度4mm，翅片高度25mm，翅片間距8mm時(shí)，執(zhí)行器電控元件的溫升最低。經(jīng)實(shí)驗(yàn)測(cè)量，仿真結(jié)果與試驗(yàn)所得溫升吻合較好，有效節(jié)約了研發(fā)設(shè)計(jì)周期，降低了生產(chǎn)成本。

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作者：禹建勇 張瑞 王成 李超 單位：南京科遠(yuǎn)智慧科技集團(tuán)股份有限公司