基于Flotherm的集装箱散热设计*

李亚梅，刘伟增，田 兴，张长水，张 鹏，张 进

(1. 特变电工新疆新能源股份有限公司， 新疆 乌鲁木齐 830011；2. 特变电工西安柔性输配电有限公司， 陕西 西安 710119)

基于Flotherm的集装箱散热设计*

李亚梅1，2，刘伟增1，2，田 兴1，2，张长水1，2，张 鹏1，2，张 进1，2

(1. 特变电工新疆新能源股份有限公司， 新疆 乌鲁木齐 830011；2. 特变电工西安柔性输配电有限公司， 陕西 西安 710119)

Flotherm已被广泛用于电子设备的模拟仿真，能够较为准确地模拟电子设备的温度及压力分布。文中使用Flotherm对集装箱进行热仿真，获得了系统的温度场和压力场，在此基础上为系统确定了合理的散热方案并完成了散热器和风机的选型。同时还对集装箱进行了热测试，并对测试数据与仿真结果进行了对比和误差分析。文中的研究结果对后续的热仿真分析和优化具有重要的指导意义。

集装箱；Flotherm；热分析；热测试

引 言

随着电子设备封装形式及性能的不断提升，电子设备正不断向复合化和集成化的方向发展，现代电子设备正日益成为由高密度组装、微组装所形成的集成系统，集装箱已成为电子设备发展的一种趋势。集装箱长期在高温环境下运行，为了保证其在恶劣环境下的正常工作，需对集装箱采取密闭设计，而集装箱工作时，输出功率仅为输入功率的一部分，很大部分的损失功率以热能的形式耗散出去，从而造成元器件的结点温度急剧升高，当超过器件的安全结温时就会导致元件失效。研究表明，功率器件的失效率随器件温度呈指数关系增长[1]，温升50 ℃的寿命只有温升25 ℃的1/6，超过55%的电子设备失效形式是由温度过高引起的[2]。在实际工作中，可能会因为热量不能及时排出，器件温度过高甚至被烧毁而影响电路的可靠性和寿命[3]。因此，集装箱热设计的合理化将直接影响到系统运行的稳定性和寿命。

Flotherm采用成熟的流体动力学和传热学仿真技术，拥有大量专门针对电子工业开发的模型库，已广泛应用于电子设备的模拟仿真[4]。本文基于Flotherm软件对集装箱的系统散热进行热分析，对系统的压力分布及模块的温度分布进行了模拟仿真，对集装箱的结构设计具有很大的指导意义。

1 热传导理论概述

1.1 物理模型

可将整个集装箱系统看成由发热体和散热体组成。热分析的主要目标是将元器件即发热体产生的热经散热体快速传至系统外，以保证整个系统运行的稳定性。在电力设备中，常见的发热体包括二极管、IGBT模块、半导体器件、电阻和电感等元器件。常见的散热体有导热硅脂、散热器和PCB板等。热量主要以热传导、对流换热以及辐射3种方式传递到周围环境，集装箱的散热主要以对流换热及热传导为主。电力设备散热的基本原理如图1所示。

图1 散热原理图

1.2 热传递的基本方式及理论

根据传热机理的不同，热传递可分为3种基本方式：热传导、热对流和热辐射[5]。这3种方式可以单独出现也可以同时出现。本文研究的集装箱系统热设计中也包括这3种热传递方式，但因在集装箱结构设计中采用了保温层3层结构设计及其他结构方面的优化，辐射换热占整个系统散热的比重小于5%，可忽略不计，因此本文主要涉及热传导及热对流2种热传递方式。

1.2.1 热传导

热传导是指物体各部分不发生相对位移时，依靠分子、原子及自由电子等微观粒子的热运动而产生的热量传递，热传导的原理可用傅里叶定律来描述，其数学表达式如下：

1.2.2 热对流

热对流是指与流体接触的固体表面和流体具有不同温度时发生的热量转移过程。对流换热按其产生流动原因的不同可分为自然对流和强迫对流。自然对流是由于流体冷热各部分的密度不同或局部加热造成流体中的温差所致，而强迫对流则是由于外力(风机、水泵等)迫使流体流动。本文集装箱的换热主要涉及强迫对流，其数学表达式如下：

φ=αAΔt

式中：α为对流换热表面传热系数；A为换热面积；Δt为流体与壁面的温差。

2 数值模拟

2.1 模型及边界条件

集装箱如图2所示，共有120个模块，由3相组成，每相含40个模块。

图2 集装箱模型

由于模块中的IGBT为主要发热器件，本文忽略启动柜、控制柜等产生的热量，对模块部分使用Flotherm建立模型并进行热仿真。为了节省计算资源，提高计算效率，本文选取其中一相进行Flotherm热仿真分析，每相的40个模块分成6组，其中最后1组含有5个模块，其余组均含有7个模块，每个模块由4个IGBT及2台散热器组成，其中每2个IGBT封装使用1台散热器对其进行散热。根据系统的总损耗，通过理论计算得出系统总风量，对整个系统预设5台风机进行整机散热。由于集装箱内模块数量较多，系统阻力大，因此，采用前进风后出风抽风式散热。

使用Flotherm建立热仿真模型，如图3所示。

图3 机柜单元Flotherm模型

机柜几何尺寸为6 000 mm × 2 742 mm × 2 800 mm(长×宽×高，包括风机)，前侧设有3个进风口对模块进行强迫风冷散热，尺寸均为1 600 mm × 1 500 mm，模块风机位于后部风腔，出风口尺寸为650 mm × 410 mm。模块散热气流从前侧进风口进入，经散热器对模块进行散热后流入后部风腔，由后侧风机抽出。按照设计要求，每个模块的热功耗为618.4 W，要求芯片的最高温度控制在130 ℃内，推算得到散热器的台面温度不得超过112 ℃，计算得出初选风机风量为5 000 m3/h。

采用Flotherm进行热仿真，软件本身采用SMPLE算法迭代，网格划分采用有限体积法。设定系统环境温度为50 ℃，压力为1个标准大气压。本文对机柜进行仿真时采用强迫空气冷却，计算时忽略辐射的影响。50 ℃下空气的物理特性见表1。

表1 50 ℃空气的物理特性

注：ρ为密度；cp为定压比热容；λ为导热系数；μ为动力粘性系数。

材料的性质在热分析中占有举足轻重的地位，特别是在散热模组达到临界点之后，材料的影响就更重要了。机箱外壳一般采用铝合金，而纯铝的导热系数比较大，散热器采用Al6063。

2.2 网格划分

数值模拟中，网格的质量直接影响到求解的精度和可靠性。系统中高热量元器件的存在使得求解域内的热量分布不均，因此对散热器、热源等高热量元器件施加网格约束进行局部加密，其他地方网格可适当稀疏，从而在保证求解精度的前提下又极大地缩短求解时间。机柜局部网格划分如图4所示。

图4 机柜单元局部网格划分

2.3 数值模拟结果及分析

利用Flotherm对单元进行模拟仿真，系统压力分布如图5所示。

图5 系统压力分布图

整个系统采用抽风的方式进行散热，因此系统内的压力均为负压。负压最大处为风机的进风口位置，达到-621 Pa，风机入口周围负压区域较大，整个风机的压力均相对较大。单元内各散热器的压力分布基本一致，且7排模块散热器的进出口压力也基本相近，散热器入口压力约为-140Pa，出口压力约为-315Pa，空气流经散热器的阻力损失为175 Pa。此时通过5台风机的最小风量为7 413.84 m3/h，对应的工作压力为367.74 Pa，风机的工作曲线如图6所示。此时通过单个模块的最小风量为402.2 m3/h，在进行模块仿真时预留10%裕量，因此使用Flotherm对风量为360 m3/h时的模块进行仿真，散热器台面温度分布如图7所示。可见，散热器台面温度最高达到95.2℃，并且2个IGBT下部散热器的温度分布基本相同，推算得到IGBT结温为112.6 ℃，小于设计温度130 ℃，并留有合理裕量，可满足系统散热要求。

图6 风机工作曲线

图7 风量为360 m3/h时散热器台面温度分布

3 测试结果及误差分析

为了验证Flotherm对集装箱进行热仿真的准确性，本文对集装箱风量进行测试，对比仿真结果及测试结果，在此基础上进行了误差分析，为后续仿真的优化提供数据上的支持。测试时只测A相，风机安装在集装箱内并保证所有模块全部安装，集装箱大门关闭。在保证上述条件的情况下，使用风速测试仪对模块出风口处的风速进行测试，并根据风量为风速与出风面积之积的关系计算得到风量，并与仿真结果进行对比。表2为A相风速测试结果，表3为仿真结果中通过A相每个模块的风量，表4为计算出的实际测试结果与仿真结果误差。

表2 A相风速测试数据 m/s

模块组1组2组3组4组5组616.846.477.586.657.437.106.817.047.286.78——26.686.516.537.026.866.636.797.016.956.75——36.416.416.266.766.907.066.866.697.327.117.247.1346.447.076.576.506.716.726.886.846.886.406.986.8256.636.716.336.586.676.656.706.757.016.656.667.4066.757.316.786.336.987.136.486.937.037.026.606.8076.596.906.446.546.806.856.976.876.666.806.896.37

表3 A相仿真风量 m3/h

模块组1组2组3组4组5组61504510498510505514506515510517——2436439440456431446434445433449——34534644674794514654544634584654985084454466469480452465454463459465460471545546846848145446645646445746746146964574704764834584724614704664744674757416427427431419428419427422429423430

表4 测试结果与仿真结果误差 %

模块组1组2组3组4组5组6113.7121.641.3918.354.8911.7214.6612.898.1117.68——20.724.073.980.243.043.811.362.043.852.65——39.0611.7115.129.350.871.642.136.803.440.936.159.9548.791.7210.1613.963.956.781.834.462.9612.121.706.5855.917.6314.1012.815.048.145.036.080.618.376.822.1964.480.788.3417.751.262.169.794.662.304.209.197.8072.584.502.321.704.913.587.234.082.222.645.264.17

由表4可知，最大误差为21.64%，平均误差为6.31%，且通过底部模块的风量最小。由此可见，使用Flotherm进行的热仿真和实际测量存在一定的偏差，可能原因包括：1)测试实体集装箱某些位置存在漏风现象；2)计算风量时须以平均风速来计算，而测量风速时仪器的偏差、风速分布不均匀及测试的位置不同都会带来误差；3)使用Flotherm进行仿真时，集装箱柜体、模块、风机和散热器采用的都是简化模型，与实际的集装箱存在差异；4)仿真边界条件理想化，而实际测量时，测量值受到周围环境的影响。基于以上误差分析，在后续进行热仿真分析时，考虑最差风量即最底部模块风量是否达到散热要求。此外，进行模块仿真时可以在系统风量的基础上减去10%再去评估模块风量是否达到要求。

4 结束语

使用Flotherm对系统进行热仿真，获得系统的压力、温度分布及系统的阻力特性，有助于在工程实际中为电力电子设备散热设计问题提供可靠的理论基础，从而准确评估实际工况的压力、温度分布以及风机工作点，以确定最佳设计方案。本文通过对测试和仿真结果进行对比，为后续仿真的优化提供了可靠的参考。此外，采用Flotherm进行产品前期的热设计，有助于确定经济、可靠的产品设计方案，并且可有效地解决实验研究周期长和成本高的问题。

[1] 李波, 李科群, 俞丹海. Flotherm软件在电子设备热设计中的应用[J]. 电子机械工程, 2008, 24(3): 11-13.

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[5] 杨世铭, 陶文铨. 传热学[M]. 北京: 高等教育出版社, 2006.

李亚梅(1987-)，女，硕士，主要从事电力电子设备热设计及热测试工作。

Container Heat Dissipation Design Based on Flotherm

LI Ya-mei1,2，LIU Wei-zeng1,2，TIAN Xing1,2，ZHANG Chang-shui1,2，ZHANG Peng1,2，ZHANG Jin1,2

(1.TBEASunoasisCo.,Ltd.,Urumchi830011,China；2.TBEAXi′anFlexiblePowerT&DCo.,Ltd.,Xi′an710119,China)

Flotherm has been widely applied in the simulations of electronic equipment. It can simulate the distribution of temperature and pressure well. In this paper the thermal simulation of container is done by Flotherm to obtain the distribution of temperature and pressure. Reasonable heat dissipation scheme and the selection of heat sink and fans are determined according to the simulation results. Thermal test for the container is also carried out. Test data are compared with simulation results to analyze the error. The research results have important guiding significance for subsequent thermal simulation analysis and optimization.

container; Flotherm; thermal analysis; thermal test

2015-07-20

TK124

A

1008-5300(2016)01-0005-04