热管散热器在电力电子器件中的应用

樊小朝 史瑞静

1.华北电力大学 河北 保定 071003；2.保定科技职业学院 河北 保定 071000

0 引言

电力电子元器件工作参数和集成度不断提高，其单位发热量急剧增加。目前二极管的额定值电压为2500伏，电流为1600安，而晶闸管参数已发展到超过2500伏和1000安，其热流密度也就是所要求的散热量常常会达到50W／cm2，有时甚至会高达200w ／cm2［1-2］。由于传统的采用单相流体强制风冷的散热器在散热量、体积、重量等诸多方面已不能满足要求，而采用热管技术的热管式散热器对各种电力电子设备或装置则具有很强的适应性，其散热能力强，最高散热功率已经达到200W/cm2，且在结构形状和尺寸设计上更加灵活，相对于传统散热器具有很大优势［3-4］。

1 热管技术工作原理

热管技术从1963年出现以来逐渐在工业、农业、交通运输等方面得到了广泛的应用。不同的热管在结构上有很大的差异，但一般情况下都由管壳、吸收芯和工质三部分组成（如图1）［5］。热管在工作时，一端为蒸发端，另外一端为冷凝端。当热管一端受热时，毛细管中的液体会迅速蒸发，在微小的压力差下蒸汽会流向另外一端，并且释放出热量，重新凝结成液体。液体再沿多孔材料，并且利用热毛细力的作用流回蒸发段，如此连续循环下去。应用这种方式可以用极快的速度将热量从热管的底部传到热管的顶部，避免了热量在发热部位堆积，将热量均匀散发到各翅片上，从而使得电子元器件能够正常工作，其使用寿命得到延长。

图1 典型热管工作原理图

2 热管散热器性能分析

2.1 基础理论分析

由传热学［6］知识可知，增加散热面积意味着在宽度变化不大的情况下要增加翅片的长度，然而过度增长翅片长度不但会增大散热空间还会造成翅片肋效率降低。肋效率的表达式为：

式中：ηf为肋效率；H为散热器基板上的翅片高度；δ为翅片的厚度；hf为散热器与周围冷却气流之间的传热系数；λ为散热器材料的导热系数。

有效传热面积Af为

式中：A为翅片实际总面积。

如果一味的增加翅片的长度或者减小翅片的厚度，虽然增大了实际翅片面积A，但是由于肋效率减小，有效传热面积有可能减小。所以传统的散热器存在着散热极限，在电子元件散热量飞速增长下已不能满足要求［7］。然而，对于热管散热器就不存在这样的问题，使用热管散热器的电器器件的绝大部分热量通过基板传递到热管，由热管将热量带到散热翅片，使得分配到各翅片的热流密度比较平均，这样肋长短，肋效率高，有效散热面积大，而且布置更加灵活，可以将热量通过热管带到更加合适的地方散热，使得热管散热器不但能够胜任高热流密度电子元器件，更重要的是可以适应复杂恶劣的运行环境。

2.2 传热模型

电子器件产生的热量通过热管散热器基板以热传导的方式将热量传递到热管的蒸发端，热管内工质吸收热量汽化，等温饱和蒸汽通过绝热段到达冷凝段，以导热的方式将热量传递到热管外壁和外壁上的金属翅片，然后以自然对流或者强迫对流的方式将热量散发到空气中。

其传热模型简化如下图2所示。

图2 热管散热器简化模型

下面我们从基板的导热、由基板向热管冷端的传热以及热管的热端散热三方面进行讨论研究。

2.2.1 基板的导热

由电子器件传到基板上的热量Q一部分传导到散热翅片散到空气中Q1，一部分由热管带走Q2，基板本身的对流散热忽略。

由基板传到翅片的散热过程为一维稳态常物性的导热过程，将由热管带走的热量做内热源处理，用一维稳态常物性微分方程表示为：

图3 基板导热示意图

式中：A1基板受热端表面积；A2基板与翅片接触表面的光面面积；tw壁面温度；tf流体温度；A3基板翅片表面面积；h表面传热系数；ηf翅片效率。

2.2.2 由基板向热管冷端的传热

这一过程我们认为是一维稳态常物性的导热过程，传热模型可以认为是通过圆筒壁的导热，采用圆柱坐标系（r，φ，z），这就是沿着半径方向的一维导热问题，在常物性一维稳态导热条件下导热微分方程简化为：

图4 基板向热管冷端传热示意图

式中hc热管内表面传热系数，Ae热管热端外有效面积，tv热管内工质的温度，tw热管内表面壁面温度，r1热管外壁半径。

2.2.3 热管的热端散热

热管的热端散热为通过翅片的对流散热，采用圆柱坐标系（r，φ，z）列微分方程：

图5 热管热端通过翅片传热示意图

式中A4热管的热端光管面积，he热管外壁与环境之间的传热系数，Ae热管的热端外有效面积，A5热管翅片表面。

综上，Q为总的散热量，Q1为由基板通过翅片直接的散热量，Q2为热管通过光管和翅片的总的散热量：

与传统的散热器相比多了Q2，这是定性结论，但理论上热管散热器的散热量要远远大于传统散热器的散热量。

2.3 试验研究

对电子器件冷却用重力型热管散热器进行了试验研究［7］，研究发现：在正常工况下，底面积为9.64×10-4m2的重力型热管散热器在散热功率为82.5 W时仍能保证发热元件表面温度小于70℃，表明该散热器具有良好的散热性能，可满足较高热流密度（小于8.56×104w/m2）电子器件的冷却要求。

3 热管散热技术应用

由于热管具有高效的导热性，热流密度可变性以及优良的易控性、恒温性和很强的环境适应性等特点，热管技术已成为电力电子设备高效散热的重要技术之一［8-9］。自1968年第一批热管开始在航空航天领域应用以来，热管技术在工业、农业和交通运输等部门也得到了广泛的应用，将热管用于电力电子器件的散热是其发展最快的技术之一，如在地面变电站交流和直流变电所变流装置和电力断电器中的晶闸管的散热，还可以用于机车IGBT等大功率组合模块散热，比如上海良导热管有限公司与永济电机厂、资阳内燃机车厂合作，采用热管技术对电传动东风型机车的硅整流柜进行了改造，使其质量更轻，体积更小，散热性能也有了很大提高，1996年12月开始运行，效果很好。此外在电解、电镀等大容量电源以及电机的软启动、电力传动等装置中保护各类大功率晶闸管，在器件串联、并联、反并联、共阳极、共阴极及三相桥式整流等装配中，采用热管散热技术后不但节约了成本，而且提高了可靠性［10］。另外随着电子计算机的普及及其中心处理器主频不断提高，用于计算机元件散热的热管散热器也得到了很快发展。1992年，中国台湾省的航能（Enertron）公司率先设计制造出应用在笔记本电脑上的热管散热组件。2002年起，热管开始进入PC台 式 机 领 域 ，Zalman、Thermalright、ThermalTake、Coolermaster等散热厂家纷纷推出一系列静音、低功耗且造型独特的热管散热组件，主要采用重力型热管和风冷相结合的散热方式［11］，热管散热器将沿着低噪、高效、体积更小更灵活的方向不断发展。

4 结论

通过以上的分析和论述，我们可以得出热管散热器比传统散热器具有以下优势：

1）热传导能力强，散热快，散热量大，同制冷量情况下比传统散热器更安全，可靠；

2）安装灵活方便，设计更具灵活性，可以分体设置，对各种电子器件及装置有很强的适用能力；

3）采用热管散热器不但可以节省材料，减小空间占用，还可以提高设备运行稳定性。

综上，热管散热器作为一种新型的散热设备更能适应当前高度紧凑、高热流密度的电力电子设备的散热要求，具有良好的应用前景。

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