CN117419944A - 一种自然对流下翅片散热器散热性的测试方法 - Google Patents

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CN117419944A CN202311745864.1A CN202311745864A CN117419944A CN 117419944 A CN117419944 A CN 117419944A CN 202311745864 A CN202311745864 A CN 202311745864A CN 117419944 A CN117419944 A CN 117419944A
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Abstract

本发明涉及一种自然对流下翅片散热器散热性的测试方法，属于散热测试技术领域。本发明在保证较高的测试准确度下解决了现有技术中翅片散热器散热性测试所需设备繁多、操作方法复杂和效率低下的问题。本发明的方法基于市面常用设备获取到的物理参数来获得的风冷翅片散热器热阻值，通过风冷翅片散热器热阻值获得发热器稳态结温结果，使用发热器的稳态结温直接测试自然对流下风冷翅片散热器的散热性，无需大量或复杂的设备，操作方法简单且高效，并能保证较高的测试准确度。

Description

一种自然对流下翅片散热器散热性的测试方法
技术领域
本发明属于散热测试技术领域，尤其涉及一种自然对流下翅片散热器散热性的测试方法。
背景技术
随着现代工业的不断发展，对机器设备的依赖越来越强，机器设备的设计和使用越来越复杂。因此，使得在各种设备的运行过程中，带来了设备发热问题，通常采用散热器来解决机器设备发热问题。散热器的性能好坏直接影响机器设备的性能发挥，现已有大量关于散热器的散热性能的研究，如公开号为CN115452440A和CN112649184A的中国专利申请。
风冷翅片散热器常用于电力电子元器件的散热，准确而便捷地测试风冷翅片散热器的散热性尤为重要。现有的测试方法基本都需要将风冷翅片散热器安装到实物甚至整机上进行联合测试，所涉及测试设备种类繁多及价格高昂，且测试方法复杂而且效率较低，通用性较差。
发明内容
鉴于上述问题，本发明提供了一种自然对流下翅片散热器散热性的测试方法，在保证较高的测试准确度下解决了现有技术中翅片散热器散热性测试所需设备繁多、操作方法复杂和效率低下的问题。
本发明提供了一种自然对流下翅片散热器散热性的测试方法，包括以下步骤：
步骤1、采集实际工况下，发热器的测试参数和翅片散热器的测试参数；
步骤2、基于翅片散热器的测试参数确定翅片的纵横比、翅片腹板总面积和非翅片腹板总面积；
步骤3、使用空气密度测量仪、空气比热容测量仪、空气粘度计和空气导热系数测量仪采集在温度区间内海平面标准大气压下干空气对应不同温度的密度数值、比热容数值、动粘度系数数值和导热率数值；基于采集的密度数值、比热容数值、动粘度系数数值和导热率数值进行拟合分别获得密度与温度的拟合函数、比热容与温度的拟合函数、动粘度系数与温度的拟合函数和导热率与温度的拟合函数；
步骤4、根据翅片纵横比和翅片散热器的测试参数获得翅片间空气流动间隙；基于翅片间空气流动间隙确定翅片散热器第一影响系数、翅片散热器第二影响系数、初始翅片散热器第三影响系数和初始收敛判据；
步骤5、采集自然对流条件下当前环境温度；基于步骤3的密度与温度的拟合函数、比热容与温度的拟合函数、动粘度系数与温度的拟合函数和导热率与温度的拟合函数和步骤4的翅片散热器第一影响系数、翅片散热器第二影响系数、初始翅片散热器第三影响系数和初始收敛判据获取翅片散热器的收敛温度；
步骤6、基于翅片散热器的收敛温度、当前环境温度和发热器的测试参数获得翅片散热器的总热阻；
步骤7、使用步骤1中发热器的测试参数和步骤6中翅片散热器的总热阻获取发热器的实际稳态结温；
步骤8、根据获得的发热器的实际稳态结温测试翅片散热器的散热性；
根据当前实际工况下的电力电子元器件散热要求给定发热器判据结温；基于发热器判据结温判断步骤7的获得的发热器稳态结温是否满足当前实际工况下的电力电子元器件散热要求；如果发热器稳态结温小于等于发热器判据结温，满足散热要求；如果发热器稳态结温大于发热器判据结温，不满足散热要求。
可选地，对于不满足散热要求的翅片散热器，根据实际工况调整翅片散热器的实际测试参数，并返回步骤1，直至对应当前工况下电力电子元器件的翅片散热器散热性能满足散热要求，获得最终翅片散热器的结构参数。
可选地，步骤1中发热器的测试参数为发热器总功耗；翅片散热器的测试参数包括翅片散热器长度、翅片散热器宽度、翅片散热器总高度、翅片散热器基座高度、翅片散热器翅片高度、翅片数量、翅片散热器翅片厚度和散热器两翅片间间距。
可选地，步骤4中根据翅片纵横比和翅片散热器翅片高度获得翅片间空气流动间隙。
与现有技术相比，本发明至少具有现如下有益效果：本发明的方法基于市面常用设备获取到的物理参数来获得的风冷翅片散热器热阻值，通过风冷翅片散热器热阻值获得发热器稳态结温结果，使用发热器地稳态结温直接测试自然对流下风冷翅片散热器的散热性，无需大量或复杂的设备，操作方法简单且高效，并能保证较高的测试准确度。
附图说明
附图仅用于示出具体实施例的目的，而并不认为是对本发明的限制。
图1为本发明的测试方法的流程图。
图2为发热器和翅片散热器的主视图。
具体实施方式
为了能够更清楚地理解本发明的上述目的、特征和优点，下面结合附图和具体实施方式对本发明进行进一步的详细描述。需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明的实施例及实施例中的特征可以相互组合。另外，本发明还可以采用其他不同于在此描述的其他方式来实施，因此，本发明的保护范围并不受下面公开的具体实施例的限制。
本发明的一个具体实施例，如图1-2，公开了一种自然对流下翅片散热器散热性的测试方法，包括以下步骤：
步骤1、采集实际工况下，发热器的测试参数和翅片散热器的测试参数；
其中，参见图1，发热器的测试参数为发热器总功耗P total；使用功率计采集实际工况下发热器的总功耗P total；
翅片散热器的测试参数包括翅片散热器长度L 1、翅片散热器宽度W 1、翅片散热器总高度H 1、翅片散热器基座高度H base、翅片散热器翅片高度H fin、翅片数量N 1、翅片散热器翅片厚度T 1和散热器两翅片间间距D 1；
由翅片散热器测试参数获得翅片散热器的基座总面积S 1，表达式为：
其中，表示翅片散热器的基座总面积；/>表示翅片散热器长度；/>表示翅片散热器宽度；/>表示翅片散热器基座高度；/>表示翅片散热器的翅片数量；/>表示翅片散热器的翅片厚度。
可选地，翅片散热器为风冷翅片散热器。
步骤2、基于翅片散热器的测试参数确定翅片的纵横比、翅片腹板总面积和非翅片腹板总面积；
翅片纵横比V 1的表达式为：
。
翅片腹板总面积S 2的表达式为：
。
非翅片除腹板总面积S 3的表达式为：
。
可以理解的是，非翅片除腹板总面积为除去翅片腹板部分，翅片的其他部分的总面积。
步骤3、使用空气密度测量仪、空气比热容测量仪、空气粘度计和空气导热系数测量仪采集在温度区间内海平面标准大气压下干空气对应不同温度的密度数值、比热容数值、动粘度系数数值和导热率数值；基于采集的密度数值、比热容数值、动粘度系数数值和导热率数值进行拟合分别获得密度与温度的拟合函数、比热容与温度的拟合函数、动粘度系数与温度的拟合函数和导热率与温度的拟合函数。
步骤31、使用空气密度测量仪采集在温度区间内海平面标准大气压下干空气对应不同温度的密度数值，获得空气密度数据集合ρ data，表达式为：
其中，表示对应温度区间下限的海平面标准大气压下干空气的密度数值，表示对应温度区间上限的海平面标准大气压下干空气的密度数值；
进一步地，在温度区间内按照设定温度步长进行取值；温度区间为零下50℃至300℃，预设步长为1℃。
步骤32、基于空气密度数据集合ρ data确定海平面标准大气压下干空气的密度ρ与温度的拟合函数，表达式为：
a 1/> a 2/> a 3/> a 4
其中，Temp表示温度；表示干空气密度与温度的函数关系；a 1、a 2、a 3和a 4分别表示密度的拟合系数。
步骤33、使用空气比热容测量仪采集在温度区间内海平面标准大气压下干空气对应不同温度的比热容数值，获得空气比热容数据集合Cp data，表达式为：
其中，表示对应温度区间下限的海平面标准大气压下干空气的比热容数值，/>表示对应温度区间上限的海平面标准大气压下干空气的比热容数值。
步骤34、基于空气比热容数据集合Cp data确定海平面标准大气压下干空气比热容Cp与温度的拟合函数，表达式为：
b 1/> b 2/> b 3/> b 4
其中，Temp表示温度；表示干空气比热容与温度的函数关系；b 1、b 2、b 3和b 4分别表示比热容的拟合系数。
步骤35、使用空气粘度计采集海平面标准大气压下干空气对应不同温度的动粘度系数数值，获得空气动粘度数据集合υ data，表达式为：
其中，表示对应温度区间下限的海平面标准大气压下干空气的动粘度系数数值，/>表示对应温度区间上限的海平面标准大气压下干空气的动粘度系数数值。
步骤36、基于空气动粘度数据集合υ data确定海平面标准大气压下干空气热物性参数动粘度系数υ与温度的拟合函数，表达式为：
其中，Temp表示温度；表示干空气动粘度系数与温度的函数关系；c 1、c 2、c 3、c 4和c 5分别表示热物性参数动粘度系数的拟合系数。
步骤37、使用空气导热系数测量仪采集海平面标准大气压下干空气对应不同温度的导热率数值，获得空气导热率数据集合λ data，表达式为：
其中，表示对应温度区间下限的海平面标准大气压下干空气的导热率数值，表示对应温度区间上限的海平面标准大气压下干空气的导热率数值。
步骤38、基于空气导热率数据集合λ data确定海平面标准大气压下干空气热物性参数密度λ与温度的拟合函数，表达式为：
；
其中，Temp表示温度；表示干空气导热率与温度的函数关系；d 1、d 2、d 3、d 4和d 5分别表示导热率的拟合系数。
步骤4、根据翅片纵横比和翅片散热器的测试参数（翅片散热器翅片高度）获得翅片间空气流动间隙；基于翅片间空气流动间隙确定翅片散热器第一影响系数、翅片散热器第二影响系数、初始翅片散热器第三影响系数和初始收敛判据；
步骤41、根据翅片纵横比和翅片散热器翅片高度获得翅片间空气流动间隙D 2，表达式为：
。
步骤42、根据翅片间空气流动间隙确定翅片散热器第一影响系数P 8、翅片散热器第二影响系数P 10、初始翅片散热器第三影响系数P 11,0和初始收敛判据F 1,0；
当翅片间空气流动间隙时；初始收敛判据F 1,0为β 1；初始翅片散热器第三影响系数P 11,0为λ 1；
其中，为空气流动间隙阈值；β 1为初始收敛判据；λ 1为初始翅片散热器第三影响系数。
翅片散热器第二影响系数P 10的表达式为：
；
翅片散热器第一影响系数P 8的表达式为：
其中，e 1、e 2和e 3分别表示在翅片间空气流动间隙下，翅片散热器第一影响系数的影响因子。
当翅片间空气流动间隙时，初始收敛判据F 1,0为β 2；初始翅片散热器第三影响系数P 11,0为λ 2；
其中，为空气流动间隙阈值；β 2为初始收敛判据；λ 2为初始翅片散热器第三影响系数。
翅片散热器第二影响系数P 10的表达式为：
；
翅片散热器第一影响系数P 8的表达式为：
其中，f 1、f 2、f 3和f 4分别表示在翅片间空气流动间隙下，翅片散热器第一影响系数的影响因子。
步骤5、采集自然对流条件下当前环境温度；基于步骤3的密度与温度的拟合函数、比热容与温度的拟合函数、动粘度系数与温度的拟合函数和导热率与温度的拟合函数和步骤4的翅片散热器第一影响系数、翅片散热器第二影响系数、初始翅片散热器第三影响系数和初始收敛判据获取翅片散热器的收敛温度；
步骤51、采集自然对流条件下当前环境温度；根据步骤3的拟合函数获得当前环境温度下的干空气密度/>、干空气比热容/>、干空气动粘度系数/>和干空气导热率/>。
步骤52、采集翅片散热器的当前温度作为翅片散热器的温度初始值；
优选地，温度初始值为所述步骤51所采集到的当前环境温度/>，即温度初始值/>；
步骤53、给定收敛判据的收敛状态；基于收敛状态/>获得翅片散热器的收敛温度；
步骤531、令k=0；
步骤532、判断第k次收敛判据是否符合收敛判据的收敛状态；如果符合收敛判据的收敛状态，获得翅片散热器的收敛温度；如果不符合收敛判据的收敛状态，更新翅片散热器第三影响系数、收敛判据和翅片散热器温度直至满足收敛判据的收敛状态，获得翅片散热器的收敛温度。
步骤5321、判断第k次收敛判据是否符合收敛判据的收敛状态；
如果第k次收敛判据，将第k次翅片散热器的温度/>作为翅片散热器的收敛温度/>，进入步骤6；
如果第k次收敛判据，更新翅片散热器第三影响系数、收敛判据和翅片散热器温度，表达式为：
其中，表示更新的翅片散热器第三影响系数；h 1-h 10分别表示翅片散热器第三影响系数的更新系数；/>表示第k次翅片散热器的温度；/>表示重力加速度；表示第k次收敛判据；/>表示第k次翅片散热器第三影响系数。
其中，表示更新的收敛判据。
其中，表示更新的翅片散热器的温度。
步骤5322、令，返回步骤5321。
步骤6、基于翅片散热器的收敛温度、当前环境温度和发热器的测试参数获得翅片散热器的总热阻；
翅片散热器的总热阻的表达式为：
步骤7、使用步骤1中发热器的测试参数和步骤6中翅片散热器的总热阻获取发热器的实际稳态结温；
发热器的实际稳态结温的表达式为：
。
步骤8、根据获得的发热器的实际稳态结温测试翅片散热器的散热性。
根据当前实际工况下的电力电子元器件散热要求给定发热器判据结温；基于发热器判据结温判断步骤7的获得的发热器稳态结温是否满足当前实际工况下的电力电子元器件散热要求；如果发热器稳态结温小于等于发热器判据结温，则当前翅片散热器的散热性良好，能满足散热要求；如果发热器稳态结温大于发热器判据结温，则当前翅片散热器的散热性较差，不能满足散热要求。
进一步地，对于当前翅片散热器的散热性较差的翅片散热器，根据实际工况调整翅片散热器的实际测试参数，并返回步骤1，直至对应当前工况下电力电子元器件的翅片散热器散热性能满足散热要求，获得最终翅片散热器的结构参数。
为了说明本发明所提方法的有效性，以下通过一个具体实施例对本发明的上述技术方案进行详细说明，具体实施步骤如下：
步骤1、采集实际工况下，使用功率计采集发热器的发热器总功耗P total；采集翅片散热器长度L 1、翅片散热器宽度W 1、翅片散热器总高度H 1、翅片散热器基座高度H base、翅片散热器翅片高度H fin、翅片数量N 1、翅片散热器翅片厚度T 1和散热器两翅片间间距D 1；获取翅片散热器的基座总面积S 1；
步骤2、基于翅片散热器的测试参数确定翅片的纵横比、翅片腹板总面积和非翅片腹板总面积；
步骤3、使用空气密度测量仪、空气比热容测量仪、空气粘度计和空气导热系数测量仪采集在温度区间内海平面标准大气压下干空气对应不同温度的密度数值、比热容数值、动粘度系数数值和导热率数值；基于采集的密度数值、比热容数值、动粘度系数数值和导热率数值进行拟合分别获得密度与温度的拟合函数、比热容与温度的拟合函数、动粘度系数与温度的拟合函数和导热率与温度的拟合函数；
步骤31、使用空气密度测量仪采集在温度区间为零下50℃至300℃内，海平面标准大气压下干空气对应温度步长为1℃的多个密度数值，获得空气密度数据集合ρ data，表达式为：
其中，表示对应温度区间下限的海平面标准大气压下干空气的密度数值，表示对应温度区间上限的海平面标准大气压下干空气的密度数值；
步骤32、基于空气密度数据集合ρ data确定海平面标准大气压下干空气密度ρ与温度的拟合函数，表达式为：
其中，Temp表示温度；表示干空气密度与温度的函数关系。
步骤33、使用空气密度测量仪采集在温度区间为零下50℃至300℃内，海平面标准大气压下干空气对应温度步长为1℃的多个比热容数值，获得空气比热容数据集合Cp data，表达式为：
其中，表示对应温度区间下限的海平面标准大气压下干空气的比热容数值，/>表示对应温度区间上限的海平面标准大气压下干空气的比热容数值。
步骤34、基于空气比热容数据集合Cp data确定海平面标准大气压下干空气比热容Cp与温度的拟合函数，表达式为：
其中，Temp表示温度；表示干空气比热容与温度的函数关系。
步骤35、使用空气密度测量仪采集在温度区间为零下50℃至300℃内，海平面标准大气压下干空气对应温度步长为1℃的多个动粘度系数数值，获得空气动粘度数据集合υ data，表达式为：
其中，表示对应温度区间下限的海平面标准大气压下干空气的动粘度系数数值，/>表示对应温度区间上限的海平面标准大气压下干空气的动粘度系数数值。
步骤36、基于空气动粘度数据集合υ data确定海平面标准大气压下干空气热物性参数动粘度系数υ与温度的拟合函数，表达式为：
其中，Temp表示温度；表示干空气动粘度系数与温度的函数关系。
步骤37、使用空气密度测量仪采集在温度区间为零下50℃至300℃内，海平面标准大气压下干空气对应温度步长为1℃的多个导热率数值，获得空气导热率数据集合λ data，表达式为：
其中，表示对应温度区间下限的海平面标准大气压下干空气的导热率数值，表示对应温度区间上限的海平面标准大气压下干空气的导热率数值。
步骤38、基于空气导热率数据集合λ data确定海平面标准大气压下干空气热物性参数密度λ与温度的拟合函数，表达式为：
其中，Temp表示温度；表示干空气导热率与温度的函数关系。
步骤4、根据翅片纵横比和翅片散热器翅片高度获得翅片间空气流动间隙；基于翅片间空气流动间隙确定翅片散热器第一影响系数、翅片散热器第二影响系数、初始翅片散热器第三影响系数和初始收敛判据；
步骤41、根据翅片纵横比和翅片散热器翅片高度获得翅片间空气流动间隙D 2，表达式为：
。
步骤42、根据翅片间空气流动间隙确定翅片散热器第一影响系数P 8、翅片散热器第二影响系数P 10、初始翅片散热器第三影响系数P 11,0和初始收敛判据F 1,0；
当翅片间空气流动间隙时，初始收敛判据F 1,0为0.0968；初始翅片散热器第三影响P 11,0为0.0955；
翅片散热器第二影响系数P 10的表达式为：
；
翅片散热器第一影响确定系数P 8,0的表达式为：
；
当翅片间空气流动间隙时，初始收敛判据F 1,0为0.0542；始翅片散热器第三影响P 11,0为0.0324；
翅片散热器第二影响系数P 10,0的表达式为：
；
翅片散热器第一影响确定系数P 8,0的表达式为：
。
步骤5、采集自然对流条件下当前环境温度；根据步骤3的拟合函数获得当前环境温度下的干空气密度/>、干空气比热容/>、干空气动粘度系数/>和干空气导热率
步骤51、自然对流条件下环境方面主要考虑环境温度，而无需考虑风速等外部条件，故采集当前环境温度，根据步骤3的拟合函数获得当前环境温度下的干空气密度、干空气比热容/>、干空气动粘度系数/>和干空气导热率/>，表达式为：
。
步骤52、采集翅片散热器的当前温度作为翅片散热器的温度初始值；
步骤53、给定收敛判据的收敛状态；基于收敛状态/>获得翅片散热器的收敛温度；
步骤531、令k=0；
步骤532、判断第k次收敛判据是否符合收敛判据的收敛状态；如果符合收敛判据的收敛状态，获得翅片散热器的收敛温度；如果不符合收敛判据的收敛状态，更新翅片散热器第三影响系数、收敛判据和翅片散热器温度直至满足收敛判据的收敛状态，获得翅片散热器的收敛温度。
步骤5321、判断第k次收敛判据是否符合收敛判据的收敛状态；
如果第k次收敛判据，将第k次翅片散热器的温度/>作为更新的翅片散热器的收敛温度/>，进入步骤6；
如果第k次收敛判据，更新的翅片散热器第三影响系数、收敛判据和翅片散热器温度，表达式为：
=/>
。
步骤5322、令，返回步骤5321。
步骤6、基于翅片散热器的收敛温度、当前环境温度和发热器的测试参数获得翅片散热器的总热阻；
翅片散热器的总热阻的表达式为：
步骤7、使用步骤1中发热器的测试参数和步骤6中翅片散热器的总热阻获取发热器的实际稳态结温；
发热器的实际稳态结温的表达式为：
。
步骤8、根据获得的发热器的实际稳态结温测试翅片散热器的散热性。
根据当前实际工况下的电力电子元器件散热要求给定发热器判据结温；基于发热器判据结温判断步骤7的获得的发热器稳态结温是否满足当前实际工况下的电力电子元器件散热要求；如果发热器稳态结温小于等于发热器判据结温，则当前翅片散热器的散热性良好，能满足散热要求；如果发热器稳态结温大于发热器判据结温，则当前翅片散热器的散热性较差，不能满足散热要求。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种自然对流下翅片散热器散热性的测试方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1、采集实际工况下，发热器的测试参数和翅片散热器的测试参数；
步骤2、基于翅片散热器的测试参数确定翅片的纵横比、翅片腹板总面积和非翅片腹板总面积；
步骤3、使用空气密度测量仪、空气比热容测量仪、空气粘度计和空气导热系数测量仪采集在温度区间内海平面标准大气压下干空气对应不同温度的密度数值、比热容数值、动粘度系数数值和导热率数值；基于采集的密度数值、比热容数值、动粘度系数数值和导热率数值进行拟合分别获得密度与温度的拟合函数、比热容与温度的拟合函数、动粘度系数与温度的拟合函数和导热率与温度的拟合函数；
步骤4、根据翅片纵横比和翅片散热器的测试参数获得翅片间空气流动间隙；基于翅片间空气流动间隙确定翅片散热器第一影响系数、翅片散热器第二影响系数、初始翅片散热器第三影响系数和初始收敛判据；
步骤5、采集自然对流条件下当前环境温度；基于步骤3的密度与温度的拟合函数、比热容与温度的拟合函数、动粘度系数与温度的拟合函数和导热率与温度的拟合函数和步骤4的翅片散热器第一影响系数、翅片散热器第二影响系数、初始翅片散热器第三影响系数和初始收敛判据获取翅片散热器的收敛温度；
步骤6、基于翅片散热器的收敛温度、当前环境温度和发热器的测试参数获得翅片散热器的总热阻；
步骤7、使用步骤1中发热器的测试参数和步骤6中翅片散热器的总热阻获取发热器的实际稳态结温；
步骤8、根据获得的发热器的实际稳态结温测试翅片散热器的散热性；
根据当前实际工况下的电力电子元器件散热要求给定发热器判据结温；基于发热器判据结温判断步骤7的获得的发热器稳态结温是否满足当前实际工况下的电力电子元器件散热要求；如果发热器稳态结温小于等于发热器判据结温，满足散热要求；如果发热器稳态结温大于发热器判据结温，不满足散热要求。
2.根据权利要求1所述的测试方法，其特征在于，对于不满足散热要求的翅片散热器，根据实际工况调整翅片散热器的实际测试参数，并返回步骤1，直至对应当前工况下电力电子元器件的翅片散热器散热性能满足散热要求，获得最终翅片散热器的结构参数。
3.根据权利要求1所述的测试方法，其特征在于，步骤1中发热器的测试参数为发热器总功耗；翅片散热器的测试参数包括翅片散热器长度、翅片散热器宽度、翅片散热器总高度、翅片散热器基座高度、翅片散热器翅片高度、翅片数量、翅片散热器翅片厚度和散热器两翅片间间距。
4.根据权利要求3所述的测试方法，其特征在于，步骤4中根据翅片纵横比和翅片散热器翅片高度获得翅片间空气流动间隙。
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