专业热设计经验总结之水冷板设计的常见问题

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1. 概述
    随着电子元件功率密度的增加,常规的风冷已经无法满足散热要求。在电动汽车行业,IGBT的发热密度非常高,高达100W/cm2,必须使用水冷散热。然而,大部分电动汽车相关企业并不具备专业的热设计工程师,对水冷板的设计是结构工程师“凭感觉”进行的。
2. 现状
    目前,大部分电动汽车企业,设计水冷版的套路是打样->测试->再打样->再测试,反复改进。这样做的缺点很明显: 1.打样费用比较高。一般打样是通过机加制作样品,单件样品的费用在1万元以上; 2.周期比较长,制作一个样品,通常需要3周的时间; 3.优化方向不明朗。测试结果只能给出“好”或者“不好",并不能给出改进的方向。因此测试改进只是“凭感觉”地去更改; 4.测试过程比较复杂。热源的功率、供水的流量、温度,都很难做到精确的控制,测试结果的可信度值得商榷。
3. 问题总结
    比较可靠省时的水冷板设计方法,一般由专业的热设计工程师,结合热仿真的结果,逐步对冷板进行改进设计。优选后的结果,一般一次测试成功率大于90%,能大大节省企业的产品开发费用和开发周期。笔者在为几十家客户设计优化水冷板的过程中,接触了很多“半路出家”的冷板设计者,大部分是结构工程师,发现他们是在“凭感觉”进行设计,而他们的感觉,很多是错误的。本文以一个实际模型为例,通过不同的仿真结果对常见的错误“感觉”总结如下文。 模型介绍:热源尺寸80x34mm,功率1500W,功率密度55.14W/cm2;冷板尺寸100x50x20mm,材料为铝材,导热率205W/m*k;冷却介质为80%的乙二醇溶液,密度1123kg/m3,导热率0.34W/m*K,粘度0.011kg/m*s,比热2888j/kg*K,入口温度为50℃,流量为12L/min.
错误观点一:只要水能全面覆盖热源,散热就是良好的。
模型一,将热源正下方全部掏空做成一个腔室,尺寸为80*40*16mm,距离热源安装面1mm,见图1, 仿真结果见图2,中心点的温度高达365.9℃;通过剖面图图3可以看出,该腔式冷板内部液体的流速很低,只是局部流速大于1m/s,大部分区域远远小于0.5m/s。所以,尽管流体全面覆盖了热源,但是温度却很高。

 

错误观点二:水的流速越快越好
    对于多少有一些传热学知识的工程师来说,知道流速加快能增加对流换热系数,所以认为水的流速越快越好。模型二(图4),在模型一的基础上,将腔室厚度降低为6mm并且内设置流道,流道宽度2mm,间距2mm,总流量不变,与模型1相比,流通截面的面积由640mm2降低为120mm,则平均流速增加到5.3倍。我们通过两个模型对比(模型二与模型三)来揭示这个结论的可靠性。 仿真结果发现,确实温度大幅度降低了(图5)。似乎印证了水的流速越快越好。     然而,我们进一步修改模型二得到模型三(图6),在流道的宽度和间距不变的情况下,将流道的深度增加到16mm,流道截面积由120mm2增加为320mm2,则流速降低为模型二的0.375倍。仿真结果如图7,可以看出,温度结果比模型二相比并没有因为流速的降低而变高,反倒是降低了4℃。因此,单纯的以追求高流速也未必可信。

    
错误观点三:与流体的接触面积越大越好
    很多工程师认为,为了将热量尽快的传递到冷却液中,尽量增加流道的表面积以加强换热。我们用新的模型四与模型三座比对。在模型三的基础上,将流道的宽度降低为1mm,间距增加为3mm,流道总的数量没变,而流道的宽度却变成了一半,形成了模型四,见图8。与模型三相比,流道与流体的接触面积减小了。然而,仿真结果(图9)显示,模型四的温度却降低了5℃。

    

4. 总结
    对流换热是一个及其复杂的过程。前文所批驳的3个观点,是很多都是课本上所说的增加对流换热系数的手段,诸如“增加流速、增大换热面积”等,从课本的角度而言,其实都是正确的观点。但是,做产品、工程问题,与在实验室、大学中做学问有着很大的区别。工程问题要考虑实际应用,要考虑综合效果。而不是像课本一样,假设其他因素不变的情况下“增大换热面积”“增大流速”等手段有利于换热。工程问题中这些手段是不能孤立于整个系统来单独考虑一个方面,对其进行过度夸大。对于冷板换热性能的优化过程,必须通过热仿真,有指导的进行。同时,务必请专业的热设计人员进行,以免错误的仿真结果误导设计。我们曾遇到过一个客户,结构工程师自学了Icepak进行了热仿真,仿真结果显示其设计的冷板能满足性能要求,就直接开模具。然而最后生产时却发现性能过不了,损失了几十万的模具费用,产品延期发货,对公司的信誉、口碑造成了很大的影响。