熱管散熱在大功率電源系統(tǒng)中的運(yùn)用

吳曉亮

(河北匯能電子技術(shù)有限公司,河北石家莊 050035)

熱管散熱在大功率電源系統(tǒng)中的運(yùn)用

吳曉亮

(河北匯能電子技術(shù)有限公司,河北石家莊 050035)

大功率軍用電源系統(tǒng)的散熱設(shè)計(jì),對(duì)整個(gè)系統(tǒng)能否穩(wěn)定可靠運(yùn)行,起著極其重要的作用。本文以一個(gè)設(shè)計(jì)案例為基礎(chǔ),通過對(duì)系統(tǒng)整體散熱方式的選擇,到具體從模塊散熱形式的確定,概括的作了介紹。

系統(tǒng)熱設(shè)計(jì);熱管散熱;風(fēng)冷設(shè)計(jì)

1 引言

如何保證電子設(shè)備的長時(shí)間可靠運(yùn)行,在電子設(shè)備廣泛應(yīng)用的今天,一直是個(gè)難題。雖然造成電子設(shè)備故障的原因很多,但是高溫是其中最重要的因素,溫度對(duì)電子設(shè)備的質(zhì)量影響高達(dá)60%。

隨著微電子技術(shù)及組裝技術(shù)的發(fā)展,現(xiàn)代電子設(shè)備正日益成為由高密度組裝、微組裝所形成的高度集成系統(tǒng)。電子設(shè)備熱流密度地越來越高,日益成為系統(tǒng)穩(wěn)定工作和性能提升的絆腳石。數(shù)據(jù)顯示, 45%的電子產(chǎn)品損壞是由于溫度過高。

可靠性研究表明:如圖1所示一種數(shù)字裝置失效率與溫度之間的關(guān)系。隨著溫度增加,元器件失效率呈指數(shù)增長,嚴(yán)重影響設(shè)備可靠性。

2 系統(tǒng)散熱形式

為保證元器件能長時(shí)可靠工作,必須根據(jù)元件芯片材料、封裝材料和可靠性要求確定一個(gè)最高允結(jié)溫,記為Timax。在為電子元器件和電子設(shè)備選擇散熱或冷卻方法時(shí),元器件的最高允許結(jié)溫是最重要的參數(shù)。硅器件塑料封裝最高允結(jié)溫為125℃～150℃。

在實(shí)際工作中,元器件的結(jié)溫是無法測量的,但是元器件的表面溫度容易測量,于是通過試驗(yàn)獲得對(duì)應(yīng)于從元件表面到環(huán)境的溫升ΔTs-a的故障率,并以此作為元器件和設(shè)備熱設(shè)計(jì)的重要參考指標(biāo)。（軍用電子元器件和設(shè)備要求工作范圍為-45～125℃)當(dāng)已知電子元器件或設(shè)備的耗散熱量,又規(guī)定超過局部環(huán)境條件的允許溫升時(shí),可用圖2所示的溫差ΔTs-a與各種冷卻方法及熱流密度的關(guān)系曲線參考選擇。

圖1 數(shù)字裝置失效率與溫度之間的關(guān)系

圖2 ΔTs-a與各種冷卻方法及熱流密度的關(guān)系

2.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求

1)電源系統(tǒng)所用供電模塊,要求具有電磁兼容設(shè)計(jì)和密封防潮設(shè)計(jì)。

2)整體系統(tǒng)由6個(gè)模塊單元組成,具有N+1備份和容量冗余設(shè)計(jì)。單個(gè)模塊熱功耗230W。

3)系統(tǒng)要求便于運(yùn)行維護(hù),可野外無人值守,體積小重量輕(便于安裝搬運(yùn))

4)系統(tǒng)工作溫度范圍-40℃～55℃;模塊高溫保護(hù)溫度90℃。

2.2 散熱方案的確定

根據(jù)系統(tǒng)工作溫度要求,很容易計(jì)算出元件表面到環(huán)境的溫升ΔTs-a為35℃左右。

計(jì)算公式為:

因?yàn)橄到y(tǒng)要求便于運(yùn)行維護(hù),且可野外無人值守,所以暫考慮使用自冷或風(fēng)冷方式。因?yàn)橐豪浞绞皆黾恿艘后w循環(huán)系統(tǒng),使系統(tǒng)較復(fù)雜且增加了維護(hù)成本。

參考溫差ΔTs-a與各種冷卻方法及熱流密度的關(guān)系曲線,可以初步確定,如果模塊的熱流密度在0.1W/cm2左右,可考慮使用強(qiáng)迫風(fēng)冷方式。

因?yàn)橐阎獑蝹€(gè)模塊熱功耗230W,理論上只要單個(gè)模塊散熱面積>2300cm2即可。

散熱面積=230/0.1=2300cm2

又因?yàn)槟K功率密度大,熱源集中,而且要求殼體密封,內(nèi)部熱量無法通過傳統(tǒng)散熱方式(傳導(dǎo),對(duì)流,輻射)有效散熱,考慮內(nèi)部使用熱管散熱技術(shù),將模塊熱源導(dǎo)出到附加散熱片,以增大散熱面積降低熱流密度。

3 熱管散熱器的設(shè)計(jì)

熱管是一種具有極高導(dǎo)熱性能的傳熱元件,導(dǎo)熱能力比普通金屬高幾百倍。據(jù)相關(guān)資料表明,高質(zhì)量熱管的傳熱效率是銅的1490倍,傳遞速度可達(dá)30m/s,遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于世界上任何導(dǎo)熱金屬和傳熱技術(shù),能到達(dá)瞬時(shí)傳熱的效果

熱管只是一種導(dǎo)熱裝置,并不是一種散熱裝置,要將熱管應(yīng)用到散熱方面,必須在熱管的散熱端安裝一定的散熱裝置。如圖3所示如果單純的將熱管和發(fā)熱體相連,只能達(dá)到一個(gè)熱量聚集的效果,并不能實(shí)現(xiàn)熱量散發(fā)的功能。熱管的工作原理在相關(guān)的資料中都可找到這里不作詳解。

圖3 熱管的散熱

3.1 熱管的選擇

已知Φ取模塊耗熱量230W;對(duì)流換熱表面系數(shù)α=45W/(m2.k);溫差t=150-55=95℃

代入公式可得:

根據(jù)計(jì)算結(jié)果,推算出所用熱管組的總截面積為540cm2。

3.2 散熱片的設(shè)計(jì)

式中:Φ-單個(gè)模塊耗熱量,W

根據(jù)系統(tǒng)條件可知,Φ=230W;α取經(jīng)驗(yàn)值α=37 W/(m2.k);矩形肋片效率η0=0.627;tw=90℃;t =55℃。

代入公式可得:

散熱器首選熱導(dǎo)率高的鋁板或銅板,考慮到性價(jià)比,模塊選用矩形直肋鋁材料做散熱片,散熱面積2830m2。鋁外殼內(nèi)表面涂漆或鋁表面陽極化,可以增加印制電路板到外殼壁的輻射傳熱量。其散熱面積>2300cm2所以滿足強(qiáng)迫風(fēng)冷的要求)

4 系統(tǒng)風(fēng)冷散熱的設(shè)計(jì)

印制電路板和功率器件(熱源)被密封在金屬盒內(nèi),然后再把這些盒子裝在大型機(jī)柜中,金屬外殼使射頻干擾和電磁干擾減至最小,也防礙了直接通風(fēng)冷卻。元件產(chǎn)生的熱量必須通過內(nèi)部傳導(dǎo)、對(duì)流和輻射的綜合作用傳到密封外殼的內(nèi)壁,然后這些熱量必須通過密封外殼的各壁以對(duì)流或某些輻射方式傳遞到外部環(huán)境。

4.1 風(fēng)量的計(jì)算設(shè)計(jì)

系統(tǒng)需要強(qiáng)迫風(fēng)冷方式,對(duì)模塊散熱,通過設(shè)計(jì)風(fēng)量qm,控制出入口氣流溫差Δt1和模塊表面溫升Δt從而可以控制模塊表面溫度ts,也就控制了器件的結(jié)溫,起到維持模塊安全穩(wěn)定運(yùn)行的作用。系統(tǒng)風(fēng)量與各參數(shù)的關(guān)系見以下公式:

為確保設(shè)備正常工作,空氣出口溫度一般不超過70℃,所以Δt1<(70-ta)℃,ta為環(huán)境溫度。

采用鼓風(fēng)方式時(shí),系統(tǒng)總耗熱量Φt還要包括電機(jī)工作中產(chǎn)生的熱耗。即

現(xiàn)在計(jì)算風(fēng)冷所需空氣流量qm,先預(yù)設(shè)風(fēng)機(jī)電機(jī)耗熱Φd=30W,根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求可算出Φt=6 ×230w+30W=1410W;Δt1=70-55=15℃;空氣的比定壓熱容Cp=1005 J/(kg.K)代入公式得:

查表可計(jì)算出在環(huán)境溫度為70℃時(shí)的空氣密度ρ=1.026 kg/m3,代入公式可得:

通過計(jì)算,系統(tǒng)散熱大概所需的通風(fēng)量已求出。由于系統(tǒng)風(fēng)口尺寸要求,單臺(tái)風(fēng)機(jī)供風(fēng)不好實(shí)現(xiàn)。所以選擇多臺(tái)風(fēng)機(jī)供風(fēng)。

4.2 風(fēng)機(jī)的選擇

在電子設(shè)備的強(qiáng)迫風(fēng)冷中,在采用單臺(tái)風(fēng)機(jī)達(dá)不到溫升控制的要求時(shí),可采用幾臺(tái)風(fēng)機(jī)并聯(lián)和串聯(lián)聯(lián)合工作來達(dá)到對(duì)的要求。這里采用風(fēng)機(jī)并聯(lián)來增加風(fēng)量,如圖4所示。

并聯(lián)風(fēng)機(jī)風(fēng)量-壓力曲線此系統(tǒng)可選用4臺(tái)風(fēng)量為84 m3/h的風(fēng)機(jī),4×84=336 m3/h>324 m3/ h,滿足設(shè)計(jì)要求。

4.3 風(fēng)道的設(shè)計(jì)

由于空氣具有質(zhì)量和動(dòng)能,要降低其流動(dòng)阻力,要使其具有較好的流態(tài)。當(dāng)風(fēng)機(jī)置于風(fēng)道口后方時(shí),空氣流經(jīng)路徑較長,提高了流速,有利于形成全展開流。筆者設(shè)計(jì)的風(fēng)道如圖5所示。

圖4 并聯(lián)風(fēng)機(jī)物理圖及風(fēng)量-壓力曲線圖

圖5 風(fēng)道設(shè)計(jì)圖

風(fēng)道在設(shè)計(jì)過程中要注意以下幾點(diǎn):

1)風(fēng)道要短而直。必須采用彎頭時(shí),應(yīng)盡可能加大彎頭半徑,以減少局部的阻力損失。

2)風(fēng)道截面的形狀盡可能與被冷卻設(shè)備(機(jī)箱)的形狀相一致,避免風(fēng)道截面的突然改變。

3)在結(jié)構(gòu)尺寸允許范圍內(nèi),選用大截面風(fēng)道。風(fēng)道截面增大可減少阻力損失,同時(shí)可降低風(fēng)機(jī)的噪聲。

4)風(fēng)道內(nèi)壁應(yīng)光滑,以減少氣流流動(dòng)的摩擦阻力。當(dāng)風(fēng)道中需安裝過濾網(wǎng)時(shí),在過濾效果和流阻之間應(yīng)予權(quán)衡。

5 結(jié)論

大功率系統(tǒng)的散熱設(shè)計(jì),需要兼顧考慮多種因素,在設(shè)計(jì)之初正確地選擇散熱方式,是成功設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。在系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中常會(huì)用到冗余設(shè)計(jì),因?yàn)樵诳煽啃砸髧?yán)格的軍工行業(yè),對(duì)產(chǎn)品的質(zhì)量要比經(jīng)濟(jì)效益更加看重。風(fēng)冷方式較之液冷方式是一種較經(jīng)濟(jì)的散熱設(shè)計(jì),熱管的使用,使封閉模塊內(nèi)集中的熱源可以高效地轉(zhuǎn)移到殼外,再配以散熱片,使風(fēng)冷設(shè)計(jì)得以實(shí)現(xiàn)。

[1] 余建祖.電子設(shè)備熱設(shè)計(jì)及分析技術(shù)(第2版)[D].北京航空航天大學(xué)出版社,2008.11.

[2] 張兆光.電子設(shè)備冷卻設(shè)計(jì)手冊(cè):電子工業(yè)部第十四研究所,1984.6.

[3] 錢濱江.簡明傳熱學(xué)手冊(cè)[M].北京:高等教育出版社,1983.

[4] 王健石.電子設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)手冊(cè)[M].北京:中國標(biāo)準(zhǔn)出版社,1993.

[5] 馬同澤,侯增祺,吳文銑.熱管[M].北京:科技出版社,1983.

Heat pipe heat design in a high-powered power supply system of use

WU Xiao-liang

(Hebei HuiNeng Electronic Technology Co.,L TD,Shijiazhuang Hebei050035,China)

High-pow ered military pow er system of the w hole system design,heat stable and reliable operation,can p lay a very impo rtant role.This paper is based on a design case,through the system as a w hole,the choice of the w ays of heat from module to specific heat form s of certain,general is introduced in this paper.

System hot design;Heat pipe heat;Air-cooled design

TP273

:A

1001-9383(2011)01-0039-05

2011-01-27

吳曉亮(1974-),男,河北石家莊人,工程師,主要從事電氣工程及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)研究與開發(fā).