[doc] 大功率硅整流元件熱管風(fēng)冷散熱器研究

1、大功率硅整流元件熱管風(fēng)冷散熱器研究江西能源1991年第4期大功率硅整流元件熱管風(fēng)冷散熱器研究奚嚦潘陽(yáng)顧文斌王修偉(江西省科學(xué)院能源研究所)摘要本文提出了一種直接接觸硅整流元件芯片的熱臂式風(fēng)猙散熱器,性能耐試與分析蛄果衰明,該熱臂式風(fēng)摶散熱精在蒲足硅元件散熱要求前基礎(chǔ)上,單重散熱能力可比外貼式熱臂散熱器有顯著提高.關(guān)t_熱管功率元件風(fēng)掙散熱符號(hào)說(shuō)明q傳熱功率,w蒸發(fā)潛熱,j/ket溫度,.p密度,kg/mv風(fēng)速m/s下標(biāo)e蒸發(fā)段in輸入l液體max最大值s飽和狀態(tài)v蒸汽w壁面1前盲熱管是一種蒸發(fā)冷卻器件,其散熱效率比同質(zhì)量散熱器大23個(gè)數(shù)量級(jí).已有研究表明,可控硅整流器用熱管散熱器進(jìn)行冷卻,不僅

2、通電能力比甩實(shí)體散熱器大大提高,而且元件結(jié)溫得到了很好的控制.就其外部冷卻方式而言,熱管散熱器有水冷和風(fēng)冷兩種,比較之下,風(fēng)冷尤其是強(qiáng)制風(fēng)冷方式,因其系統(tǒng)簡(jiǎn)單可靠,成率低,維護(hù)方便,是受歡迎的一種冷卻方式,只要改進(jìn)結(jié)構(gòu),臺(tái)理設(shè)計(jì),完全可以滿足大功率元器件的散熱要求.為了減少散熱器與元器件之伺的接觸熱阻和充分發(fā)揮熱管優(yōu)越的傳熱性能,國(guó)外多采用直接接觸系統(tǒng)的熱管.所謂直接接觸系統(tǒng),即是將熱管和元器件結(jié)合成一個(gè)整體,以減少甚至消除接觸熱阻,從而減輕熱管散熱器重量,降低成本.據(jù)報(bào)導(dǎo),熱管散熱器與元器件一體化后,使總熱阻降了i/3,效果十分顯蓍.所以,.一體化勢(shì)必成為熱管散熱器設(shè)計(jì)的一種趨勢(shì).本文涉及的

3、正是一種可以與大功率硅整流元件芯片實(shí)現(xiàn)一體化散熱冷卻的熱管風(fēng)冷散熱器.2熱瞥歙熱器研制(1)熱管教熱囂的特構(gòu)熱管散熱器與大功率可控硅元件的壓按面根據(jù)可控硅元件陰陽(yáng)極的幾何形狀設(shè)計(jì)成腔體結(jié)構(gòu)型式,使熱管散熱器本身可作為硅元件的兩極與元件芯片構(gòu)成一個(gè)整體.熱管蒸發(fā)腔受熱面進(jìn)行了沸騰強(qiáng)化設(shè)計(jì).(2)熱管工質(zhì)選定大功率硅整流元件熱管散熱器的工質(zhì)選擇取決于硅元件的耗散功率和結(jié)溫控制要求,一般希望熱管能傳輸足夠多的耗散熱量,而維持較低的蒸發(fā)段壁溫.實(shí)用工作溫度符合要求的低常溫工質(zhì)有水,丙酮,乙醇,f113和f11等.圖1和圖2所示實(shí)水熱管在較低溫度下工作,其蒸汽密度較小,考慮到熱管制作水平,當(dāng)p很小對(duì),殘

4、留在熱管內(nèi)的不凝性氣體將占據(jù)較大的冷凝段窖積,而導(dǎo)致熱管的傳熱性能下降.所以宜采用混合工質(zhì),使p升高.從圖1和圖2可見(jiàn),混合工質(zhì)的性能只稍次于水.(3)設(shè)計(jì)實(shí)例以zp-1000a可控硅整流二極管的散熱冷卻作為實(shí)施飼子進(jìn)行設(shè)計(jì),設(shè)計(jì)條件是.額定電流1o00a,額定正向壓降0.8v,最大耗散功率800w,管芯最高允許溫度140,最高冷卻風(fēng)溫4oc,散熱器與硅管壓接面直徑為48ram,整個(gè)散熱器材科為絮銅.3性蛇蔫試圖4所示為熱管散熱器性能測(cè)試裝置示26意圖.測(cè)試在兩個(gè)工況下進(jìn)行:(1)保持風(fēng)速恒定,測(cè)定散熱器蒸發(fā)腔受熱面壁溫隨熱管傳輸功率的變化(2)維持受熱面壁面恒定,測(cè)定熱營(yíng)傳輸功率隨冷卻風(fēng)速的

5、變化.如果憩管散熱器作為硅管的陰陽(yáng)兩極與芯片構(gòu)成一整體,則受熱面壁溫允許升至100c,假如熱管散熱器僅與硅管外貼壓接接臺(tái),則受熱面壁溫僅允許升至80.為保險(xiǎn)起見(jiàn),本研究設(shè)計(jì)與測(cè)試均維持受熱面壁溫為80.4結(jié)果與分析圖s所示為熱管傳輸功率或散熱量隨冷卻風(fēng)速的變化,由圖可見(jiàn),隨著,風(fēng)禳韻增大,散熱量也增加.當(dāng)風(fēng)速?gòu)?m/s增大到6m/s時(shí),散熱量從1030w增大劐1185w.圖6所示為散熱量隨受熱面壁溫的變化,當(dāng)壁溫為8o時(shí),散熱量為030w,超過(guò)設(shè)計(jì)值800w近3o%,當(dāng)壁溫為1oo時(shí),散熱量為1680w,是設(shè)計(jì)值的2.1倍.實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,即使采用簡(jiǎn)單的外貼式散熱,受試熱管散熱器已經(jīng)完金能滿厘硅

6、整流元件的散熱饔求,如果能夠?qū)嵤┮惑w化則此烈管散熱器體積還能縮小一半以上.受試熱管散熱器單側(cè)重量為2公斤,壁溫為8o與1oo時(shí),其單重散熱分別為2:57.5w/k和420w/kg,由此可見(jiàn)一體他結(jié)構(gòu)散熱較之外貼式散熱的優(yōu)越性,同時(shí)亦說(shuō)明該熱管散熱器的風(fēng)冷散熱能力已經(jīng)可以與水冷散熱器相匹敵.5結(jié)論熱管散熱器設(shè)計(jì)成一體化結(jié)構(gòu),作為大功率硅整流元件芯片的陰疆兩極,消除了壓接式散熱器與硅整流元件之間存在的接觸熱阻,并且使受熱面厚度大大減小,導(dǎo)熱熱阻顯若降低,更由于受熱面壁面溫度的提高提高了熱管工質(zhì)游胯傳熱強(qiáng)度,從而大大提高了散熱器的單重散熱能力.熱管工質(zhì)采用純水為佳,為了提高管內(nèi)圈1熱管蒸發(fā)段壁溫與待

7、輸功率之間的關(guān)系工質(zhì)蒸汽密度,減少不凝性氣體實(shí)際操作時(shí)所占冷凝段的窖積,最好采用以水為基質(zhì)的混合工質(zhì),提高熱管工作時(shí)的蒸汽密度.圈2低輸八功率下熱管蒸發(fā)段壁汪與傳輸功率之問(wèn)的關(guān)冪丁,c.c)圖.不的(prp)t與ts之圖4實(shí)驗(yàn)裝置示意圈f.1的關(guān)系一圖5散熱量隨風(fēng)速的變i=.參考文棘高鐵生,1988.熱管在半導(dǎo)體器件中的應(yīng)用與發(fā)展.電子機(jī)械工程,5t3639黃定寅,辛明道,石程名,1990.大功率晶蚵管風(fēng)冷熱管散熱器的新結(jié)構(gòu)與傳熱試驗(yàn).電子機(jī)械工程,2:2832.圖6散熱量隨壁溫的變化靳明聰,陳遠(yuǎn)圖,1986.熱管及熱管散熱器.重慶大學(xué)出版社m.d.xinetal,1981.heattra11

8、5-ferperforraanceofaheatpiperadiatora1o00amperethyristor:withaircooling.htdvo1.20(heattran-sferinelectronicequipreent),6164橋頭丘礦洗煤廠提高泥煤回收率樂(lè)平礦務(wù)局橋夾丘礦洗煤r,設(shè)計(jì)有3個(gè)長(zhǎng)為16m,寬4m,深2m的泥煤沉淀池,其功韻在于由泄放的漣爆水中回收煤泥,同時(shí)將沉淀后的余水作循環(huán)水應(yīng)用.諼礦皖煤廠投產(chǎn)使用以來(lái),效果比較好.久而久之,發(fā)現(xiàn)沉淀后的泄放水仍有少量煤炭,經(jīng)測(cè)定迭細(xì)0一ts毫克/升,甚至還高造成污染環(huán)境,影響田間作物的生長(zhǎng)也流l央大量煤炭,浪費(fèi)國(guó)家資源.為了

9、提高泥煤回收率,合理利用能源,該廠干部,技術(shù)人員和工人組成的”三結(jié)合攻關(guān)小組多次研究分析,反復(fù)試驗(yàn).在三個(gè)沉淀池的溢口處,坎進(jìn)一個(gè)特制的煤水分離篩.篩面由兩層以直徑為6mm,孔網(wǎng)為50ram的園鋼組成中間夾有棕片34層長(zhǎng)1.8m,寬1.6m,斜放在溢流口內(nèi),傾角2022度,使所有外溢煤水必經(jīng)篩網(wǎng).28現(xiàn)在來(lái)自廠內(nèi)處理事故的水煤,濃縮靶子溢流的水煤,清洗廠房的水煤以及工業(yè)廣場(chǎng)內(nèi)雨水沖刷的水煤全部經(jīng)過(guò)沉淀池的沉淀,再經(jīng)過(guò)煤水分離器,由電耙和鏈板運(yùn)輸規(guī)直接送入廠內(nèi)煤倉(cāng)外銷.銷出的泥煤均為氣肥煤,經(jīng)化驗(yàn)其主要指標(biāo)均可達(dá)到民用要求,價(jià)格臺(tái)理溱受用戶歡迎從煤水分離篩脫出的水干凈,符臺(tái)環(huán)保鄔門(mén)的規(guī)定,也可以循環(huán)應(yīng)用,達(dá)到節(jié)約用水的