热管式大功率电子模块散热器

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。