热管技术在大功率电子器件模块中的应用

目录
摘要 I
Abstract II
主要符号表 III
目录 IV

第 1 章 绪论…………………………………………… 1
1.1 热管散热器在电子元器件散热设备中的重要性 ………… 1
1.2 大功率模块热管散热器的特性和优点 ……………………… 2
1.2.1 热虹吸管的特点和优势 ……………………………………. 2
1.2.2 热管式散热器的优点 ………………………………………. 4
1.3 典型大功率模块IGBT 的发展趋势 …………………………. 4
1.4 温度对IGBT 的影响 ………………………………………………. 9
1.4.1 大功率电子模块的热特征 ………………………………... 9
1.4.2 温度对IGBT 性能的影响 ………………………………… 10
1.5 现有大功率电子模块的散热冷却方式 …………………………… 13
1.6 国内外研究概述…………………………………………………... 16
1.7 本文的主要研究内容 ……………………………………………… 17
参考文献 …………………………………………………………………. 18

第 2 章 热虹吸管启动性能的研究 ………………………………… 25
2.1 概述 ………………………………………………………………… 25
2.2 试验研究 …………………………………………………………… 25
2.2.1 热电偶瞬态响应特征 ………………………………………. 25
2.2.2 试验过程 ……………………………………………………. 28
2.2.3 结论和分析 …………………………………………………. 29
2.3 理论分析 …………………………………………………………… 32
2.3.1 管壁导热的计算 ……………………………………………. 34
2.3.2 蒸汽生成速度的描述 ………………………………………. 38
2.4 本章小结 …………………………………………………………….. 41
参考文献 …………………………………………………………………. 41

第 3 章 最佳充液量研究 ……………………………………………... 43
3.1 热管网络模型 ……………………………………………………… 43
3.1.1 管壁热阻 ……………………………………………………. 44
3.1.2 小空间流动沸腾热阻 ………………………………………. 44
3.1.3 蒸汽流动阻力产生的热阻 …………………………………. 47
3.1.4 膜状凝结热阻 ………………………………………………. 49
3.2 工作过程分析 ……………………………………………………… 52
3.2.1 热虹吸管管内的传热过程 …………………………………. 52
3.2.2 热虹吸管的传热极限 ………………………………………. 53
3.3 最佳充液量 ………………………………………………………… 54
3.3.1 冷凝段液膜厚度 ……………………………………………. 54
3.3.2 充液量计算 …………………………………………………. 61
3.4 热虹吸管试验研究 ……………………………………………….. 62
3.4.1 试验目的 …………………………………………………... 62
3.4.2 试验条件 …………………………………………………... 62
3.4.3 实验结果及分析 …………………………………………... 64
3.5 结论 ……………………………………………………………….. 67
参考文献 …………………………………………………………………. 68

第 4 章 倾斜状态下热虹吸管传热性能研究 ……………………. 70
4.1 倾斜状态下热虹吸管的传热机理 ……………………………….. 70
4.1.1 管壁下侧气泡的滑移效应 ………………………………... 70
4.1.2 管壁上侧液膜蒸发效应 …………………………………... 71
4.2 试验分析 ………………………………………………………….. 72
4.2.1 概述 ………………………………………………………... 72
4.2.2 试验条件 …………………………………………………... 73
4.2.3 试验结论和分析 …………………………………………... 73
4.3 结论 ……………………………………………………………….. 75
参考文献 …………………………………………………………………. 75

第 5 章 热管式IGBT散热器的研究………………………………... 77
5.1 有限元分析在传热学工程中的应用 ……………………………… 77
5.2 热管式IGBT 散热器的开发与模拟计算 …………………………. 78
5.3 试验研究 …………………………………………………………… 79
5.3.1 试验装置 ……………………………………………………… y
5.3.2 试验结果分析 ………………………………………………… 80
5.4 结论 ………………………………………………………………….. 85
参考文献 …………………………………………………………………. 85

第 6 章 结论与展望 …………………………………………………… 87
6.1 结论 ………………………………………………………………… 87
6.2 展望 ………………………………………………………………… 87
致谢 ……………………………………………………………………………. 89
攻读硕士学位期间已发表及待发表的论文情况 …………………………… 90

结论和展望
6.1 结论
本文针对热管式大功率电子模块散热器的开发研制，系统研究了其中所用的关键传热元件——热虹吸管的性能，包括热虹吸管的启动过程、影响单根热虹吸管热阻的各个因素、最佳充液量、倾斜状态下热虹吸管的传热性能以及散热器整体设计过程中可能出现的一些问题。
在此基础上，开发研制了热管式IGBT 散热器，并对此散热器进行了有限元热分析和模拟试验研究，各项研究结果表明：热管式IGBT 散热器是完全可以满足散热要求，是解决大功率电子模块散热的有效途径。

本文主要研讨以下四方面的内容：
（1） 热虹吸管启动性能的研究：首先从不同充液量、启动前状态、内部汽化核心状态等因素对启动的影响进行了试验研究，认为大长径比的铜—水热虹吸管管内相变不仅仅为沸腾，而是以蒸发为主，并伴有薄液膜的沸腾；并从理论的角度，定性地分析了受蒸发面积控制的蒸汽生成量对热虹吸管启动性能的影响，通过管壁上某一特征热电偶的温度变化过程来分析说明热虹吸管在启动的整个过程内部的蒸汽压、蒸汽流量、相变面积以及蒸汽生成量的一些半定量关系；
（2） 热虹吸管最佳充液量的研究：热虹吸管的传热性能与其充液量有着重要关系，而用于电子元件散热的热虹吸管一般是处于临近极限的状态，对内部工作介质的量要求很高。传统计算热虹吸管充液量的方法所得到的数值偏大，较易形成塞状流，或在热虹吸管管壁形成一层较厚的液膜，大大增加了热虹吸管的热阻；而当热虹吸管的充液量偏小时，又会产生烧干现象，达到传热极限。本文采用理论分析与试验研究相结合方法，对热管内部的充液量进行研究，给出较为简单且可靠的计算方法；
（3） 倾斜状态下热虹吸管传热性能的研究：本文主要讨论了热虹吸管在倾斜状态下的传热机理及性能，分析了热虹吸管在倾斜状态下管内上下壁面的传热机理，并研究了正常工作情况下热虹吸管的传热性能，为热虹吸管在电子模块散热器中的应用奠定了基础；
（4） 热管式大功率电子模块散热系统的热分析与模拟研究：热管式散热器本身就是一个散热系统，同时也是电子系统的一个组成部分，这就要求在设计电子模块系统的时候要兼顾散热系统的要求，而散热系统在设计时也要考虑对电子系统的反作用。本文主要分析了热管式电子模块散热系统的各部分的热阻的情况，并以IGBT 为例，开发研究了热管式IGBT 换热器，经过理论分析、模拟计算和试验验证，证明所开发的热管式IGBT 散热器完全能满足设计要求，并且进一步分析了提高散热器性能的关键因素。

6.2 展望
热管技术在电子元器件散热领域的应用，已经出现了几十年，但国内才刚刚起步。目前，由于国外的电子设备公司规模相对比较大，可以组织起比较强的科研团体对某一项目进行攻关，而国内还没有形成这种机制。
从技术角度，目前国内受到原材料质量和加工手段的限制，对于一些尖端产品的加工制造还有一些困难；对于一些基础性研究，目前国内做得也不多，这样阻碍了高效电子元件散热器的开发。
大长径比热虹吸管的启动性能除了第2 章说明的一些影响因素外，在试验中还发现一些比较奇特的现象，一时难以从理论上分析清楚，如：在热虹吸管等温性能良好的情况下，启动过程出现类似有不凝性气体的曲线，在正常工作时，则消失了，再如，产生冲击启动现象的条件等等。由于时间限制，如启动部分的热动力学分析、对最佳充液量模型的进一步细化和倾斜状态下传热系统的分析等等，都有待于继续研究。
目前，回路振荡热管(Looped Oscillating Heat Pipe，LOHP)、新型吸液芯结构的微、小型热管是最富开发应用前景的先进热管结构，对于改善微小空间高热通量热管传热特性有着与普通热管无法比拟的优越性，因此，引起了科学界和工程界的高度关注，为进一步开发电子元器件的高效散热器开辟了新途径。

南京工业大学硕士学位论文

攻读硕士学位期间已发表及待发表的论文情况
［1］ 陶汉中, 张红. 热管技术在电子元器件散热中的应用. 第四届研究生科技论坛论文集. （获三等奖）2002.5
［2］ 陶汉中，张红，庄骏. 热管式IGBT 散热器的研制. 第八届全国热管会议论文集.pp.322-326 成都：2002.7
［3］ 陶汉中，张红. 采用热管技术加固冻土铁路路基的热影响分布. 能源研究与利用(2003 年第三期待发)
［4］ 陶汉中, 张红. 高速芯片模块热管散热器的仿真热分析. 南京工业大学学报（已接收，待发表）
［5］ Jun Zhuang, Hanzhong Tao, Hong Zhang. Research and Development of Heat Pipe Heat-sink for CDMA Base Station Power Module, 7th IHPS (已接收）

致 谢

本文是在我的导师张红教授精心指导下完成的。从本文的选题开始、研究方案、试验方案的制定、理论分析过程以及最终定稿，无不倾注了导师的心血和汗水。三年来，导师无论在学习上、思想上、还是生活上都给了我巨大的帮助。导师博大的胸怀、严谨的治学态度、敏锐的洞察力、渊博的知识，使我受益匪浅，这些将是我终身的宝贵财富。
庄骏教授给予了我精心的指导和无私的帮助，使我了解了一些生产实际过程中的问题和解决方法，开阔了我的视野，感谢庄老师为我提供了良好的实践机会，让我的知识不仅仅停留在书本上。
我们热能及动力工程系一直是一个充满活力的大家庭，在此要感谢热能系其他老师在三年来的关心和支持。
师姐孙世梅博士、师兄陈伟博士，黄志光硕士、陈丹硕士在本人三年的硕士阶段学习中给予了巨大帮助，在此，表示感谢。
实验室魏守福师傅在我试验过程中，给予了巨大的帮助，没有他的帮助，我的试验是难以完成的。
感谢我们机械与动力工程学院2000 级研究生的全体同学，特别要感谢室友沈玉堂对我的关心。
感谢我的家庭在三年来对我经济上和精神上的支持，家人的大力支持让我在学习过程中没有了后顾之忧。
感谢所有关心和帮助过我的老师、同学和朋友们！

陶汉中
二○○三年五月