熱管散熱器在電力電子器件中的應(yīng)用

樊小朝 史瑞靜

1.華北電力大學 河北 保定 071003；2.保定科技職業(yè)學院 河北 保定 071000

0 引言

電力電子元器件工作參數(shù)和集成度不斷提高，其單位發(fā)熱量急劇增加。目前二極管的額定值電壓為2500伏，電流為1600安，而晶閘管參數(shù)已發(fā)展到超過2500伏和1000安，其熱流密度也就是所要求的散熱量常常會達到50W／cm2，有時甚至會高達200w ／cm2［1-2］。由于傳統(tǒng)的采用單相流體強制風冷的散熱器在散熱量、體積、重量等諸多方面已不能滿足要求，而采用熱管技術(shù)的熱管式散熱器對各種電力電子設(shè)備或裝置則具有很強的適應(yīng)性，其散熱能力強，最高散熱功率已經(jīng)達到200W/cm2，且在結(jié)構(gòu)形狀和尺寸設(shè)計上更加靈活，相對于傳統(tǒng)散熱器具有很大優(yōu)勢［3-4］。

1 熱管技術(shù)工作原理

熱管技術(shù)從1963年出現(xiàn)以來逐漸在工業(yè)、農(nóng)業(yè)、交通運輸?shù)确矫娴玫搅藦V泛的應(yīng)用。不同的熱管在結(jié)構(gòu)上有很大的差異，但一般情況下都由管殼、吸收芯和工質(zhì)三部分組成（如圖1）［5］。熱管在工作時，一端為蒸發(fā)端，另外一端為冷凝端。當熱管一端受熱時，毛細管中的液體會迅速蒸發(fā)，在微小的壓力差下蒸汽會流向另外一端，并且釋放出熱量，重新凝結(jié)成液體。液體再沿多孔材料，并且利用熱毛細力的作用流回蒸發(fā)段，如此連續(xù)循環(huán)下去。應(yīng)用這種方式可以用極快的速度將熱量從熱管的底部傳到熱管的頂部，避免了熱量在發(fā)熱部位堆積，將熱量均勻散發(fā)到各翅片上，從而使得電子元器件能夠正常工作，其使用壽命得到延長。

圖1 典型熱管工作原理圖

2 熱管散熱器性能分析

2.1 基礎(chǔ)理論分析

由傳熱學［6］知識可知，增加散熱面積意味著在寬度變化不大的情況下要增加翅片的長度，然而過度增長翅片長度不但會增大散熱空間還會造成翅片肋效率降低。肋效率的表達式為：

式中：ηf為肋效率；H為散熱器基板上的翅片高度；δ為翅片的厚度；hf為散熱器與周圍冷卻氣流之間的傳熱系數(shù)；λ為散熱器材料的導(dǎo)熱系數(shù)。

有效傳熱面積Af為

式中：A為翅片實際總面積。

如果一味的增加翅片的長度或者減小翅片的厚度，雖然增大了實際翅片面積A，但是由于肋效率減小，有效傳熱面積有可能減小。所以傳統(tǒng)的散熱器存在著散熱極限，在電子元件散熱量飛速增長下已不能滿足要求［7］。然而，對于熱管散熱器就不存在這樣的問題，使用熱管散熱器的電器器件的絕大部分熱量通過基板傳遞到熱管，由熱管將熱量帶到散熱翅片，使得分配到各翅片的熱流密度比較平均，這樣肋長短，肋效率高，有效散熱面積大，而且布置更加靈活，可以將熱量通過熱管帶到更加合適的地方散熱，使得熱管散熱器不但能夠勝任高熱流密度電子元器件，更重要的是可以適應(yīng)復(fù)雜惡劣的運行環(huán)境。

2.2 傳熱模型

電子器件產(chǎn)生的熱量通過熱管散熱器基板以熱傳導(dǎo)的方式將熱量傳遞到熱管的蒸發(fā)端，熱管內(nèi)工質(zhì)吸收熱量汽化，等溫飽和蒸汽通過絕熱段到達冷凝段，以導(dǎo)熱的方式將熱量傳遞到熱管外壁和外壁上的金屬翅片，然后以自然對流或者強迫對流的方式將熱量散發(fā)到空氣中。

其傳熱模型簡化如下圖2所示。

圖2 熱管散熱器簡化模型

下面我們從基板的導(dǎo)熱、由基板向熱管冷端的傳熱以及熱管的熱端散熱三方面進行討論研究。

2.2.1 基板的導(dǎo)熱

由電子器件傳到基板上的熱量Q一部分傳導(dǎo)到散熱翅片散到空氣中Q1，一部分由熱管帶走Q2，基板本身的對流散熱忽略。

由基板傳到翅片的散熱過程為一維穩(wěn)態(tài)常物性的導(dǎo)熱過程，將由熱管帶走的熱量做內(nèi)熱源處理，用一維穩(wěn)態(tài)常物性微分方程表示為：

圖3 基板導(dǎo)熱示意圖

式中：A1基板受熱端表面積；A2基板與翅片接觸表面的光面面積；tw壁面溫度；tf流體溫度；A3基板翅片表面面積；h表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)；ηf翅片效率。

2.2.2 由基板向熱管冷端的傳熱

這一過程我們認為是一維穩(wěn)態(tài)常物性的導(dǎo)熱過程，傳熱模型可以認為是通過圓筒壁的導(dǎo)熱，采用圓柱坐標系（r，φ，z），這就是沿著半徑方向的一維導(dǎo)熱問題，在常物性一維穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱條件下導(dǎo)熱微分方程簡化為：

圖4 基板向熱管冷端傳熱示意圖

式中hc熱管內(nèi)表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)，Ae熱管熱端外有效面積，tv熱管內(nèi)工質(zhì)的溫度，tw熱管內(nèi)表面壁面溫度，r1熱管外壁半徑。

2.2.3 熱管的熱端散熱

熱管的熱端散熱為通過翅片的對流散熱，采用圓柱坐標系（r，φ，z）列微分方程：

圖5 熱管熱端通過翅片傳熱示意圖

式中A4熱管的熱端光管面積，he熱管外壁與環(huán)境之間的傳熱系數(shù)，Ae熱管的熱端外有效面積，A5熱管翅片表面。

綜上，Q為總的散熱量，Q1為由基板通過翅片直接的散熱量，Q2為熱管通過光管和翅片的總的散熱量：

與傳統(tǒng)的散熱器相比多了Q2，這是定性結(jié)論，但理論上熱管散熱器的散熱量要遠遠大于傳統(tǒng)散熱器的散熱量。

2.3 試驗研究

對電子器件冷卻用重力型熱管散熱器進行了試驗研究［7］，研究發(fā)現(xiàn)：在正常工況下，底面積為9.64×10-4m2的重力型熱管散熱器在散熱功率為82.5 W時仍能保證發(fā)熱元件表面溫度小于70℃，表明該散熱器具有良好的散熱性能，可滿足較高熱流密度（小于8.56×104w/m2）電子器件的冷卻要求。

3 熱管散熱技術(shù)應(yīng)用

由于熱管具有高效的導(dǎo)熱性，熱流密度可變性以及優(yōu)良的易控性、恒溫性和很強的環(huán)境適應(yīng)性等特點，熱管技術(shù)已成為電力電子設(shè)備高效散熱的重要技術(shù)之一［8-9］。自1968年第一批熱管開始在航空航天領(lǐng)域應(yīng)用以來，熱管技術(shù)在工業(yè)、農(nóng)業(yè)和交通運輸?shù)炔块T也得到了廣泛的應(yīng)用，將熱管用于電力電子器件的散熱是其發(fā)展最快的技術(shù)之一，如在地面變電站交流和直流變電所變流裝置和電力斷電器中的晶閘管的散熱，還可以用于機車IGBT等大功率組合模塊散熱，比如上海良導(dǎo)熱管有限公司與永濟電機廠、資陽內(nèi)燃機車廠合作，采用熱管技術(shù)對電傳動?xùn)|風型機車的硅整流柜進行了改造，使其質(zhì)量更輕，體積更小，散熱性能也有了很大提高，1996年12月開始運行，效果很好。此外在電解、電鍍等大容量電源以及電機的軟啟動、電力傳動等裝置中保護各類大功率晶閘管，在器件串聯(lián)、并聯(lián)、反并聯(lián)、共陽極、共陰極及三相橋式整流等裝配中，采用熱管散熱技術(shù)后不但節(jié)約了成本，而且提高了可靠性［10］。另外隨著電子計算機的普及及其中心處理器主頻不斷提高，用于計算機元件散熱的熱管散熱器也得到了很快發(fā)展。1992年，中國臺灣省的航能（Enertron）公司率先設(shè)計制造出應(yīng)用在筆記本電腦上的熱管散熱組件。2002年起，熱管開始進入PC臺 式 機 領(lǐng) 域 ，Zalman、Thermalright、ThermalTake、Coolermaster等散熱廠家紛紛推出一系列靜音、低功耗且造型獨特的熱管散熱組件，主要采用重力型熱管和風冷相結(jié)合的散熱方式［11］，熱管散熱器將沿著低噪、高效、體積更小更靈活的方向不斷發(fā)展。

4 結(jié)論

通過以上的分析和論述，我們可以得出熱管散熱器比傳統(tǒng)散熱器具有以下優(yōu)勢：

1）熱傳導(dǎo)能力強，散熱快，散熱量大，同制冷量情況下比傳統(tǒng)散熱器更安全，可靠；

2）安裝靈活方便，設(shè)計更具靈活性，可以分體設(shè)置，對各種電子器件及裝置有很強的適用能力；

3）采用熱管散熱器不但可以節(jié)省材料，減小空間占用，還可以提高設(shè)備運行穩(wěn)定性。

綜上，熱管散熱器作為一種新型的散熱設(shè)備更能適應(yīng)當前高度緊湊、高熱流密度的電力電子設(shè)備的散熱要求，具有良好的應(yīng)用前景。

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