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1、大功率硅整流元件热管风冷散热器研究江西能源1991年第4期大功率硅整流元件热管风冷散热器研究奚呖潘阳顾文斌王修伟(江西省科学院能源研究所)摘要本文提出了一种直接接触硅整流元件芯片的热臂式风狰散热器,性能耐试与分析蛄果衰明,该热臂式风抟散热精在蒲足硅元件散热要求前基础上,单重散热能力可比外贴式热臂散热器有显着提高.关t_热管功率元件风挣散热符号说明Q传热功率,w蒸发潜热,J/kET温度,.p密度,kg/mV风速m/s下标e蒸发段in输入l液体max最大值S饱和状态V蒸汽W壁面1前盲热管是一种蒸发冷却器件,其散热效率比同质量散热器大23个数量级.已有研究表明,可控硅整流器用热管散热器进行冷却,不仅
2、通电能力比甩实体散热器大大提高,而且元件结温得到了很好的控制.就其外部冷却方式而言,热管散热器有水冷和风冷两种,比较之下,风冷尤其是强制风冷方式,因其系统简单可靠,成率低,维护方便,是受欢迎的一种冷却方式,只要改进结构,台理设计,完全可以满足大功率元器件的散热要求.为了减少散热器与元器件之伺的接触热阻和充分发挥热管优越的传热性能,国外多采用直接接触系统的热管.所谓直接接触系统,即是将热管和元器件结合成一个整体,以减少甚至消除接触热阻,从而减轻热管散热器重量,降低成本.据报导,热管散热器与元器件一体化后,使总热阻降了i/3,效果十分显蓍.所以,.一体化势必成为热管散热器设计的一种趋势.本文涉及的
3、正是一种可以与大功率硅整流元件芯片实现一体化散热冷却的热管风冷散热器.2热瞥歙热器研制(1)热管教热嚣的特构热管散热器与大功率可控硅元件的压按面根据可控硅元件阴阳极的几何形状设计成腔体结构型式,使热管散热器本身可作为硅元件的两极与元件芯片构成一个整体.热管蒸发腔受热面进行了沸腾强化设计.(2)热管工质选定大功率硅整流元件热管散热器的工质选择取决于硅元件的耗散功率和结温控制要求,一般希望热管能传输足够多的耗散热量,而维持较低的蒸发段壁温.实用工作温度符合要求的低常温工质有水,丙酮,乙醇,F113和F11等.图1和图2所示实水热管在较低温度下工作,其蒸汽密度较小,考虑到热管制作水平,当p很小对,残
4、留在热管内的不凝性气体将占据较大的冷凝段窖积,而导致热管的传热性能下降.所以宜采用混合工质,使P升高.从图1和图2可见,混合工质的性能只稍次于水.(3)设计实例以ZP-1000A可控硅整流二极管的散热冷却作为实施饲子进行设计,设计条件是.额定电流1O00A,额定正向压降0.8V,最大耗散功率800W,管芯最高允许温度140,最高冷却风温4oc,散热器与硅管压接面直径为48ram,整个散热器材科为絮铜.3性蛇蔫试图4所示为热管散热器性能测试装置示26意图.测试在两个工况下进行:(1)保持风速恒定,测定散热器蒸发腔受热面壁温随热管传输功率的变化(2)维持受热面壁面恒定,测定热营传输功率随冷却风速的
5、变化.如果憩管散热器作为硅管的阴阳两极与芯片构成一整体,则受热面壁温允许升至100C,假如热管散热器仅与硅管外贴压接接台,则受热面壁温仅允许升至80.为保险起见,本研究设计与测试均维持受热面壁温为80.4结果与分析图s所示为热管传输功率或散热量随冷却风速的变化,由图可见,随着,风禳韵增大,散热量也增加.当风速从3m/s增大到6m/s时,散热量从1030W增大劐1185W.图6所示为散热量随受热面壁温的变化,当壁温为8O时,散热量为030W,超过设计值800W近3O%,当壁温为1OO时,散热量为1680W,是设计值的2.1倍.实验结果表明,即使采用简单的外贴式散热,受试热管散热器已经完金能满厘硅
6、整流元件的散热饔求,如果能够实施一体化则此烈管散热器体积还能缩小一半以上.受试热管散热器单侧重量为2公斤,壁温为8O与1OO时,其单重散热分别为2:57.5W/k和420W/kg,由此可见一体他结构散热较之外贴式散热的优越性,同时亦说明该热管散热器的风冷散热能力已经可以与水冷散热器相匹敌.5结论热管散热器设计成一体化结构,作为大功率硅整流元件芯片的阴疆两极,消除了压接式散热器与硅整流元件之间存在的接触热阻,并且使受热面厚度大大减小,导热热阻显若降低,更由于受热面壁面温度的提高提高了热管工质游胯传热强度,从而大大提高了散热器的单重散热能力.热管工质采用纯水为佳,为了提高管内圈1热管蒸发段壁温与待
7、输功率之间的关系工质蒸汽密度,减少不凝性气体实际操作时所占冷凝段的窖积,最好采用以水为基质的混合工质,提高热管工作时的蒸汽密度.圈2低输八功率下热管蒸发段壁汪与传输功率之问的关幂丁,c.c)图.不的(prp)t与Ts之图4实验装置示意圈f.1的关系一图5散热量随风速的变I=.参考文棘高铁生,1988.热管在半导体器件中的应用与发展.电子机械工程,5t3639黄定寅,辛明道,石程名,1990.大功率晶蚵管风冷热管散热器的新结构与传热试验.电子机械工程,2:2832.图6散热量随壁温的变化靳明聪,陈远图,1986.热管及热管散热器.重庆大学出版社M.D.xinetal,1981.HeatTra11
8、5-ferperforraanceofAHeatPipeRadiatora1o00AmpereThyristor:withAirCooling.HTDVo1.20(HeatTran-SferinElectronicEquipreent),6164桥头丘矿洗煤厂提高泥煤回收率乐平矿务局桥夹丘矿洗煤r,设计有3个长为16m,宽4m,深2m的泥煤沉淀池,其功韵在于由泄放的涟爆水中回收煤泥,同时将沉淀后的余水作循环水应用.谖矿皖煤厂投产使用以来,效果比较好.久而久之,发现沉淀后的泄放水仍有少量煤炭,经测定迭细0一ts毫克/升,甚至还高造成污染环境,影响田间作物的生长也流l央大量煤炭,浪费国家资源.为了
9、提高泥煤回收率,合理利用能源,该厂干部,技术人员和工人组成的”三结合攻关小组多次研究分析,反复试验.在三个沉淀池的溢口处,坎进一个特制的煤水分离筛.筛面由两层以直径为6mm,孔网为50ram的园钢组成中间夹有棕片34层长1.8m,宽1.6m,斜放在溢流口内,倾角2022度,使所有外溢煤水必经筛网.28现在来自厂内处理事故的水煤,浓缩靶子溢流的水煤,清洗厂房的水煤以及工业广场内雨水冲刷的水煤全部经过沉淀池的沉淀,再经过煤水分离器,由电耙和链板运输规直接送入厂内煤仓外销.销出的泥煤均为气肥煤,经化验其主要指标均可达到民用要求,价格台理溱受用户欢迎从煤水分离筛脱出的水干净,符台环保邬门的规定,也可以循环应用,达到节约用水的目的.1990年12月14日环保郭门来广测定:水的PH值为7.12,悬浮物227毫克/升,符合国家规定,C8e051.2rag/1,含油0.7Stag/l;泥龆回收率达98.5.今年回收泥煤仅17月达3200吨,价值达10余万元,取得了较好的企业经济效益和社会效益(乐平矿务局杨松毫)