ptc加热器厂家
您当前的位置 : 首 页 > 新闻中心 > 行业资讯

PTC 封装结构热管理模拟研究

2021-03-25 10:00:28

由于PTC元件具有恒温散热性能和性能,逐渐取代传统的金属散热元件,在汽车空调系统等领域有着广阔的应用前景。然而,用于PTC发热元件封装结构的硅胶粘合剂,由于其导热低,导致封装结构的散热差,元件的工作温度过高,从而影响了元件的功率和寿命。因此,对PTC发热体封装结构的热管理进行研究是十分必要的。利用COMSOLMultiphysics模拟软件,对PTC封装结构的热管理模拟计算进行了研究,研究了不同参数下BaTiO3陶瓷材料的分布阵列、胶层厚度、胶体热导率及冷却条件等对PTC封装结构热传导的影响。模拟结果表明,与9×1型相比,3×3型BaTiO3陶瓷阵列可使PTC封装结构获得更大的散能力,且随着胶体热导率的提高,胶层厚度减小,冷却液流动速度变快,封装结构的导热增强,且冷却液温度对封装结构散热无明显影响。以此为基础,将BaTiO3陶瓷的9×1布阵改为3×3布阵,采用热导率高的硅胶,使胶层厚度减小,提高了冷却剂的流动速度。本发明能够提高封装结构的散热,从而增加发热元件的功率和寿命。


引言

PTC(PositiveTemperatureCoefficient)意为温度正阻系数,即电阻随温度升高而变大的特性,具有这一特性的材料称为PTC材料,如图1所示,当温度高于居里温度时,PTC材料的电阻基本保持不变,但当电阻高于居里温度时,电阻变化迅速[1-2]。目前PTC材料主要分为三大类:钛酸钡(BaTiO3)、金属氧化物(4)和聚合物(5-6),其中常用的是钛酸钡(BaTiO3)。

通过电流流过PTC材料,PTC发热元件通过焦耳效应产生热量,与传统发热元件相比,PTC发热元件具有恒温发热和工作两大优点[7]。因此,PTC散热元件的应用越来越广泛[8-10],主要是因为这两个优点。


微信图片_20210325100156.jpg

 PTC 封装结构几何模型建立

本文介绍一种典型的PTC发热元件,其封装结构为Al2O3-Al-BaTiO3,三层复合结构,每层材料间用硅胶粘结,见图3。但是,目前的封装结构没有进行热管理设计,从传热学角度来看,封装结构参数不合理,散热性差,工作温度较高,从而对元器件的功率和寿命产生不利影响。

利用COMSOLMultiphysics软件,利用多物理场模拟仿真功能,研究了现有封装结构和工艺参数对发热体温度分布的影响,通过理论分析,优化了发热体的热管理,提高了结构的散热,降低了发热体的工作温度,提高了发热体的功率和工作寿命。

微信图片_20210325100422.jpg

 物理场的添加

利用COMSOLMultiphysics软件对几何模型进行建模时,先将尺寸参数设置为全局定义参数,便于以后调用,然后使用COMSOLMultiphysics软件对几何模型进行建模。

通过对所需尺寸参数的全局定义,您可以在COMSOLMultiphysics中开始创建三维组件,作为PTC加热元件的几何模型,此几何模型的建立过程以9×1陶瓷布阵为例。

首先,建立长方体作为氧化铝陶瓷基体,在工作平面一侧画出铝电级草图,然后拉伸制作铝电级;在铝电级上画出9个平行的小长方体作为BaTiO3陶瓷基体;在BaTiO3陶瓷外画出草图,然后拉伸制作另一片铝级板;利用布尔运算子,建立2个铝电级、9个BaTiO3陶瓷基体,在长方体与平行集合之间画出外圈密封橡胶;利用全局定义变量表示组件外形尺寸。

需要指出的是,在建模过程中对模型进行了3个处理,便于网格划分和计算求解。由于胶层厚度过小会导致网格划分复杂,因此不需要建立胶层实体模型,而直接将其作为薄层结构进行处理。在一个固体传热物理场中,组件中的每层材料界面被明确定义为胶粘剂层,而在固体传热物理场中,这一明确定义为热厚薄层,而在研究胶层厚度时,这一薄层厚度被全局定义为参数d_adhesive;其二,铝电级引脚的存在使整个发热元件外形不规则,且该引脚与相邻引脚的密封橡胶网相比,具有更细、复杂的特性,因此在建模时,将引脚突出的部分去掉,保证引脚外侧端面与密封硅胶外表面平齐。三是将铝制安装槽基梁与元件接触壁加工成薄层结构,操作方法与胶层相同,厚度为1mm,壁厚为1mm。

微信图片_20210325100437.jpg

 PTC 发热元件材料参数的输入

在COMSOLMultiphysics软件中,采用电流-固体传热耦合和电流-固体传热-层流耦合两种物理场变大方案。

流固耦合技术主要包括三种类型的物理场:流固场、流固场和电磁热场。在电流场中,一个铝电级需要用450V的电压,另一个需要接地。在固体传热场中,初始温度和环境温度分别为20℃和20℃,在冷却条件下用热通量边界条件模拟,包括冷却液强制对流换热和其他表面与空气的自然对流换热。此外,还需要在先前选定的边界复合粘合剂层上建立一个热厚层,以模拟该粘合剂层的材料和厚度。电磁热场为热电耦合场,根据电流密度计算出焦耳热,作为固体传热的热源,因此将固体传热场与电流场相连接,在耦合界面应选择设定好的电流场和固体传热场。

流-固-液传热-层流耦合法涉及4种物理场,分别为电流场、固-固传热、层流场和电磁热场,另外还要求在氧化铝陶瓷表面建立另一冷却几何模型。

层流边界条件设定(冷却剂上下层为几何模型)

和前一种方法一样,电流场也是这样,一根电级用450V电压,另一根接地。

胶层对PTC 封装结构散热的影响

固体传热场中,加热元件几何模型先设固体,后设冷却液几何模型;元件初始温度和环境温度仍设为20℃;加热元件上下及两侧表面空气自然对流传热,且介质、温度、特征长度保持不变;冷却液几何模型定义流入边界条件,上游温度20℃,另定义流出边界条件。

 冷却条件对PTC 封装结构散热的影响

冷却液几何模型在层流场中,冷却液几何模型在流体属性选择的两侧定义为层流场范围,在初始值范围内,各方向的初始速度为0;在进入热边界作用的两个边界上,入口流体边界条件为2m/s,出口流体边界条件为0,压力为0帕,且保持默认设置,即冷却液几何模型外部的表面,除流体入口出口外,均视为流体壁。

电磁热场耦合界面应选择流场、固液传热场,其作用与方案相同。

结论

结果表明,电流-固体传热耦合法在模型表面增加了强制热交换的边界条件,定义冷却液冷却作用的介质材料、温度和流速不同,而定义冷却液冷却作用的电流-固体和流体传热-层流耦合法则增加了流体材料、层流场的速度和温度对冷却液冷却作用的定义。


标签

最近浏览:

案例展示

联系人:吕经理

手 机:18300288176

网   址:www.qingdaowatt.com

地 址:青岛市城阳区速安达物流园区

空气加热器价格

备案号:鲁ICP备20016067 Copyright © 2019青岛瓦特电器有限公司 版权所有 青岛瓦特电器有限公司 主营区域: 江苏 武汉 上海 北京 浙江 青岛 济南 天津 重庆 郑州
Powered by 祥云平台 技术支持:浩瀚网络