熱阻網(wǎng)絡(luò)
關(guān)注創(chuàng)建者：陳先生CAE 創(chuàng)建時(shí)間：2018-05-30
熱阻網(wǎng)絡(luò)的實(shí)例教程
根據(jù)等效熱阻網(wǎng)絡(luò)模型的溫度場(chǎng)分布，需要計(jì)算出電動(dòng)機(jī)定轉(zhuǎn)子及氣隙的材料熱性能參數(shù)、熱對(duì)流換熱系數(shù)等。圖4為電動(dòng)機(jī)水冷套的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖4 電動(dòng)機(jī)水冷散熱結(jié)構(gòu)
針對(duì)電動(dòng)機(jī)本體熱管理分析利用等效熱阻網(wǎng)絡(luò)法模型計(jì)算;首先需要查出電動(dòng)機(jī)各個(gè)零部件的材料熱性能參數(shù)，其次需要計(jì)算出電動(dòng)機(jī)零部件之間存在熱對(duì)流時(shí)的等效換熱系數(shù)等，例如定子水冷套與水的等效換熱系數(shù)和定轉(zhuǎn)子之間氣隙的等效散熱系數(shù)的計(jì)算等。通過流體力學(xué)仿真軟件進(jìn)行仿真計(jì)算得出各熱傳導(dǎo)熱對(duì)流等需要的參數(shù)，最終把各參數(shù)帶入到等效熱阻網(wǎng)絡(luò)法的數(shù)學(xué)矩陣模型中，將很簡(jiǎn)便的得出各零部件的溫度場(chǎng)變化情況。
通過電動(dòng)機(jī)水冷套的熱管理輸入條件和水冷仿真的初始條件，對(duì)電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)的熱傳遞途徑分析，可得出等效模型中所需的熱性能參數(shù)，并利用仿真軟件可得出電動(dòng)機(jī)中水冷模型和定轉(zhuǎn)子之間氣隙的等效換熱系數(shù)h。
而電動(dòng)機(jī)定轉(zhuǎn)子之間的氣隙等效散熱系數(shù)計(jì)算稍加復(fù)雜，本文采用等效靜止空氣來計(jì)算其換熱系數(shù)。通過等效定轉(zhuǎn)子之間的氣隙模型，查詢材料物性參數(shù)如普蘭特?cái)?shù)、熱導(dǎo)率、運(yùn)動(dòng)粘度和平均比熱容等參數(shù)，根據(jù)流體理論計(jì)算公式可得出該氣隙的雷諾數(shù)、努塞爾特?cái)?shù)等參數(shù)，最終可得出等效氣體的換熱系數(shù)。
通過上述計(jì)算得等效換熱系數(shù)，再根據(jù)結(jié)構(gòu)中存在的熱傳導(dǎo)與熱對(duì)流模型，可分別計(jì)算出各個(gè)零部件的熱阻、熱容等參數(shù)，有了熱源、熱阻等參數(shù)，根據(jù)電動(dòng)機(jī)中熱分析傳遞途徑可建立等效出熱阻網(wǎng)絡(luò)模型(見圖5)，由模型可等效出基本數(shù)學(xué)矩陣模型最后可得出各部件的溫度場(chǎng)變化情況，即可作為完整的邊界條件計(jì)算出有效解，最后可得出總成結(jié)構(gòu)中，電動(dòng)機(jī)熱管理方案僅用定子水冷套的情況下，針對(duì)電動(dòng)機(jī)在額定工況與峰值工況下電動(dòng)機(jī)各個(gè)零部件在穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)溫度場(chǎng)變化。
圖5 電動(dòng)機(jī)整體熱傳遞途徑等效模型
2.
展開 熱阻的單位是°C/W,表示了傳遞單位速率熱量時(shí)的溫差。熱阻的定義有些類似歐姆定律Re = ΔV/I 所定義的電阻Re。其中ΔV 是電位差，I 是電流。
以一個(gè)簡(jiǎn)單的例子進(jìn)行說明。如圖1，散熱片安裝在一個(gè)器件的上方。通過熱阻網(wǎng)絡(luò)的方法，可以在圖1 的右方畫出系統(tǒng)的熱阻網(wǎng)絡(luò)。在這個(gè)簡(jiǎn)單的熱阻網(wǎng)絡(luò)模型中，熱量連續(xù)的從器件的晶結(jié)到達(dá)殼體，然后通過和散熱片的接觸面到達(dá)散熱片上，最終被通過散熱片的氣流所帶走。
其間的晶結(jié)到殼體間的熱阻定義如下：
Rjc = (ΔTjc)/Q = (Tj - Tc)/Q
這個(gè)熱阻值通常由期間制造上所提供。盡管給定器件的Rjc 值還依賴于冷卻的方式和冷卻裝置安裝的位置。但是，通常Rjc 是一個(gè)給出的定值，并且一般認(rèn)為用戶無法去改變的Rjc 的值。
同樣的，殼體-散熱片/散熱片-環(huán)境的熱阻值分別定義如下：
Rcs = (ΔTcs)/Q = (Tc - Ts)/Q
Rsa = (ΔTsa)/Q = (Ts - Ta)/Q
其中，Rcs 表示了通過殼體到散熱片之間接觸面的熱阻，通常叫做接觸熱阻（這里似乎忽略了散熱片內(nèi)部的熱阻），而通過減少接觸面的粗糙度或是使用適當(dāng)?shù)慕缑娌牧峡梢詼p少接觸熱阻。Rsa 則是散熱片到空氣的熱阻。
可以看出，從器件的晶結(jié)到環(huán)境的總熱阻是以上三個(gè)熱阻之和，如下：
Rja = Rjc + Rcs + Rsa = (Tj - Ta)/Q
所需散熱片的熱阻選擇散熱片的第一步就是決定所需散熱片的熱阻，以保證所冷卻器件工作在允許的溫度內(nèi)。上面的熱阻求和的方程可以寫成下式的形式，從而得到所需的散熱片熱阻。
展開 利用FLOPACK模型庫，電子熱分析人員可以快速獲得各種標(biāo)準(zhǔn)芯片封裝的DELPHI熱阻網(wǎng)絡(luò)模型和詳細(xì)熱分析模型以及雙熱阻模型。大大方便熱設(shè)計(jì)人員了解以前幾乎不可能獲得的芯片內(nèi)部完整溫度分布和準(zhǔn)確的芯片結(jié)溫與殼溫。
FLOTRESS---IC封裝與PCB熱應(yīng)力分析模塊，利用FLOTHERM的模型并直接讀取FLOTHERM分析的熱場(chǎng)分布數(shù)據(jù)結(jié)合FLOSTRESS自帶的有限元求解器，對(duì)IC封裝與PCB進(jìn)行熱應(yīng)力應(yīng)變的深入分析。
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與FLO/EMC電磁兼容分析軟件共享分析模型，一次建模就可以同時(shí)進(jìn)行電磁兼容性分析和熱分析。這可以大大加快結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)人員獲得優(yōu)化設(shè)計(jì)方案的速度并避免了模型不一致帶來的設(shè)計(jì)沖突。
展開 熱源管控：功率器件選型問題，選擇結(jié)溫大、熱阻小、功耗小的器件進(jìn)行設(shè)計(jì)，另外，對(duì)于熱敏器件需要嚴(yán)格控制；
2. 散熱方案：熱方案篩選，采用熱阻網(wǎng)絡(luò)法或集中總參法進(jìn)行方案選型；
3. 對(duì)散熱物料，如散熱器、風(fēng)機(jī)、冷板、水冷主機(jī)、空調(diào)等進(jìn)行計(jì)算和選型；
4. 整機(jī)布局：根據(jù)器件功率大小、熱敏性程度和熱流分布進(jìn)行合理布局，設(shè)計(jì)風(fēng)道等措施；
5. 噪聲計(jì)算和控制策略。
圖2 熱調(diào)節(jié)器(a)模型圖，(b)熱阻網(wǎng)絡(luò)圖。
圖3 帶有cPCM熱調(diào)節(jié)器的電池模塊的組裝過程。
圖4 (a)正二十烷，(b)AlN，(c)cPCM 的SEM圖
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演講嘉賓：
（Ansys現(xiàn)為新思科技旗下公司）
廉海潯 | Ansys應(yīng)用工程主管
2021年加入 Ansys，具備豐富的液冷與風(fēng)冷熱管理經(jīng)驗(yàn)，目前主要負(fù)責(zé) Icepak 的產(chǎn)品支持及應(yīng)用流程搭建工作，專注于熱阻網(wǎng)絡(luò)分析方法與相關(guān)熱仿真設(shè)計(jì)流程的構(gòu)建與優(yōu)化，熟悉并掌握多種冷卻方案及其工程應(yīng)用，能夠?yàn)殡娮酉到y(tǒng)熱設(shè)計(jì)提供專業(yè)支持
圖2 熱調(diào)節(jié)器(a)模型圖，(b)熱阻網(wǎng)絡(luò)圖。
圖3 帶有cPCM熱調(diào)節(jié)器的電池模塊的組裝過程。
圖4 (a)正二十烷，(b)AlN，(c)cPCM 的SEM圖
LED的熱設(shè)計(jì)一般有以下幾個(gè)環(huán)節(jié):
基于最嚴(yán)苛的邊界條件定義最大接環(huán)熱阻；
設(shè)置熱阻網(wǎng)絡(luò)模型，計(jì)算散熱器熱阻；
根據(jù)材料、空間預(yù)估散熱器尺寸與外形；
利用CFD軟件進(jìn)行仿真分析；
確定熱學(xué)與光學(xué)系統(tǒng)性能及余量；
對(duì)以上步驟進(jìn)行優(yōu)化迭代
基于該設(shè)計(jì)步驟，則可以使用一下仿真與測(cè)試工具進(jìn)行支持，主要包括
根據(jù)等效熱阻網(wǎng)絡(luò)模型的溫度場(chǎng)分布，需要計(jì)算出電動(dòng)機(jī)定轉(zhuǎn)子及氣隙的材料熱性能參數(shù)、熱對(duì)流換熱系數(shù)等。圖4為電動(dòng)機(jī)水冷套的結(jié)構(gòu)示意圖。
散熱方案：熱方案篩選，采用熱阻網(wǎng)絡(luò)法或集中總參法進(jìn)行方案選型；
3. 對(duì)散熱物料，如散熱器、風(fēng)機(jī)、冷板、水冷主機(jī)、空調(diào)等進(jìn)行計(jì)算和選型；
4. 整機(jī)布局：根據(jù)器件功率大小、熱敏性程度和熱流分布進(jìn)行合理布局，設(shè)計(jì)風(fēng)道等措施；
5. 噪聲計(jì)算和控制策略。
描述如何通過仿真生成一個(gè)仿真結(jié)構(gòu)函數(shù)，再用測(cè)試結(jié)構(gòu)函數(shù)來修正仿真結(jié)構(gòu)函數(shù)，最后用修正后的結(jié)構(gòu)函數(shù)生成熱阻網(wǎng)絡(luò)模型，應(yīng)用于系統(tǒng)級(jí)產(chǎn)品中；
e. 明確并改進(jìn)更好的仿真和測(cè)試方法。
2.
通過熱阻網(wǎng)絡(luò)的方法，可以在圖1 的右方畫出系統(tǒng)的熱阻網(wǎng)絡(luò)。在這個(gè)簡(jiǎn)單的熱阻網(wǎng)絡(luò)模型中，熱量連續(xù)的從器件的晶結(jié)到達(dá)殼體，然后通過和散熱片的接觸面到達(dá)散熱片上，最終被通過散熱片的氣流所帶走。
其間的晶結(jié)到殼體間的熱阻定義如下：
Rjc = (ΔTjc)/Q = (Tj - Tc)/Q
這個(gè)熱阻值通常由期間制造上所提供。
針對(duì)這些特性，Thermica可方便地設(shè)置太陽系內(nèi)的各種衛(wèi)星軌道，支持部件機(jī)動(dòng)、多航天器相互指向等復(fù)雜姿態(tài)，基于光線追蹤法并行計(jì)算幾何角系數(shù)、軌道外熱流以及熱輻射等，Thermisol基于節(jié)點(diǎn)熱阻網(wǎng)絡(luò)分析整體的溫度場(chǎng)在軌道不同位置的熱狀態(tài)。
利用FLOPACK模型庫，電子熱分析人員可以快速獲得各種標(biāo)準(zhǔn)芯片封裝的DELPHI熱阻網(wǎng)絡(luò)模型和詳細(xì)熱分析模型以及雙熱阻模型。大大方便熱設(shè)計(jì)人員了解以前幾乎不可能獲得的芯片內(nèi)部完整溫度分布和準(zhǔn)確的芯片結(jié)溫與殼溫。
