自然冷模块热设计分析.pdf

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1、自然冷模块热设计分析一、【问题描述】：自然冷模块是一款纯自然散热电源模块，功率器件完全密封在一个压铸铝壳内，铝壳材料为YL113，铝壳防护等级为IP55。电源单板上主要功率器件直接或通过导热材料间接贴附在压铸铝外壳内壁，利用压铸铝外壳将功率器件产生的热量散失到环境中。电源模块通过壁挂或者抱杆的方式安装。自然冷模块设计方案书要求的热设计条件为：额定工况下，电源模块总的热损耗为55W，环境温度55℃，海拔2000m，有太阳光照射。电源压铸铝外壳最大尺寸（宽度不包含铰链，厚度包含齿高）为360mm(L)×180mm(W)×90mm(D)。图1常见的自然冷功率模块二、【原因分析】：在传热学中，热传递

2、有三种方式，导热、对流和辐射。导热是固体内部的传热方式，通过紧密接触的固体将热量由高温物体传递到低温物体；对流是通过流体流动将热量带走；辐射是通过发射电磁波的方式传热，不借助任何介质。自然冷模块的散热主要借助对流和辐射两种方式。辐射换热：Q＝εσAT4（1）对流换热：Q＝kA△T（2）辐射温度：0.25T=(αqs/σε)（3）2k—对流换热系数W/(m.K)；ε—发射率；2A—表面积m；-824σ—黑体辐射常数，5.67×10W/(m.K)；α—暴晒吸收比；2qs—太阳辐射到达物体表面的热流密度W/m；T—热力学温度。表一100℃时典型材料的发射率材料发射率材料发射率(100℃)铝（抛光）

3、0.06铸钢（抛光）0.52～0.56铝（商用板材）0.09玻璃（光滑）0.85～0.95铝（粗抛光）0.07氧化铝0.33铝（镀铬）0.10阳极化铝0.81金（高度抛光）0.018～0.035粗制铁（涂白色瓷漆）0.9钢（抛光）0.06铁（涂光亮黑漆）0.8铁（抛光）0.14～0.38黑漆或白漆0.8～0.95铸铁（机械切削）0.44铝涂料或铝漆0.52黄铜（抛光）0.06橡胶（硬的或软的）0.86～0.94铜（抛光）0.023～0.052水（0～100℃）0.95～0.96表二几种典型材料的α/ε值材料暴晒吸收比α发射率ε(37.8℃)α/ε铝（新蒸发）0.10.0254聚酯薄膜表面0.

4、180.90.2厚度0.0254mm白色涂料0.150.940.16厚度0.0254mm黑色涂料0.970.941.03从公式1和公式2可以看出，影响自然冷模块散热的因素有①散热外壳表面积；②外壳表面发射率；③外壳对流换热系数。对流换热系数随空气流速增加而变大；表面发射率和外壳材料、表面处理工艺有关，如表一。公式3为处在深空中，没有内损耗，被太阳照射的物体，其热力学温度计算公式。深空中物体的热力学温度受α/ε的影响，α/ε值越大，吸收的太阳辐射能越多，物体温度越高；α/ε值越小，吸收的太阳辐射能越少，物体温度越低。在有太阳辐射的情况下，对物体温度的控制一部分取决于对α/ε值的控制，常见材料的

5、吸收比和发射率如表二。三、【解决方法】：自然冷模块外壳最大尺寸已经确定，主要发热器件直接或通过导热材料间接贴附在压铸铝外壳内壁上下表面，如图2。自然冷模块的散热主要依靠辐射散热和自然对流散热，为了提高外壳的散热能力，增加换热面积，在外壳前、后外表面加散热齿片。增加散热面积，相应的需要增加齿的数目和高度，减小齿间距。而减小齿间距，增加齿高后，首先会降低外壳的辐射换热能力；其次，相邻两个散热齿之间的空气流动阻力会增加，空气流动速度会降低，会使对流散热能力降低。散热外壳最优的结构方案通过热仿真获得。功率器件导热垫图2自然冷功率模块装配示意图根据仿真得到了压铸铝散热外壳最优的结构尺寸：表三自然冷模块

6、外壳设计尺寸压铸铝散热外壳不带齿360mm(L)×180mm(W)×62mm(D)结构尺寸带齿360mm(L)×180mm(W)×90mm(D)散热齿结构尺寸齿数齿间距齿厚前面板散热齿360mm(L)×12mm(H)×2mm(D)188mm2mm后面板散热齿360mm(L)×16mm(H)×2mm(D)159mm2mm图3自然冷模块实物自然冷模块设计中要求可以工作在户外条件下，户外工作难免受到太阳暴晒的影响。从表二中可以知道，在户外产品外壳表面喷白色的涂料，一方面可以减少户外产品从太阳光中吸收热量的能力，同时增强户外产品向周围环境辐射热量的能力。选择在自然冷模块表面喷涂灰白色涂料，实物如图3

7、所示。自然冷模块通过壁挂和抱杆的方式安装固定。以这种方式固定后，如果外壳背部散热齿离墙壁较近，散热齿和墙壁之间的空气自然流动会减弱，对流和辐射换热能力会降低，热空气会在局部堆积，导致散热外壳整体散热能力降低。通过热仿真对比计算，可以得到一个合适的安装距离。无障碍物20mm40mm图4自然冷模块背后障碍物对散热的影响表四自然冷模块靠墙距离和工作温度对比单位：℃靠墙距离12345678无障碍73.466.692.