晨怡热管  哈尔滨晨怡热管技术有限公司  晨怡热管技术研究所

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日期:2005-12-18 12:26:34 来源:来自网络 查看:[大 中 小] 作者：椴木杉 热度：

摘 要:本文论述了应用于电力电子装置的热管和热管散热器的特点；介绍了热管散热器在该领域的应用状况；通过计算求出了在某工况下HVF—2000型高压变频器采用铝型材散热器和热管散热器时，整流、逆变器件各自的节温，证明了热管散热器的散热效果优于铝型材散热器。
关键词:热管 热阻 热管散热器 高压变频器
1 前言
热管是二十世纪60年代的重大发明，而热管散热器是近二十多年才逐步开发出来的，其优良的散热效果，近十几年才得到人们的认可。正如某些文献的评价:热管散热器的出现，是解决电力电子装置散热问题的重大突破。
为推广热管散热器的应用，本文论述了适用于电力电子装置的热管和热管散热器的特点，介绍了近二十多年来国内外热管散热器应用状况。结合北京先行公司开发的HVF—2000型高压变频器，介绍了RSF—38型热管散热器的特点;计算了在某工况下，采用铝型材散热器和热管散热器两种情况下整流、逆变元件的节温和散热器台面温度;得出了热管散热器的散热效果优于铝型材散热器的结论。
2 热管
2.1 热管的定义
热管是一种高性能的热传导元件。
热管的概念是1944年通用发动机有限公司的Gaugler首先提出的，1963年Los Alamos国家实验室的Grover博士等人重新提出与Gaugler相似的装置，并命名为“热管”。典型的热管是由管壳、吸液芯和端盖组成，抽真空后填充若干工质的密闭结构。 热管的一端为蒸发段(加热段)，另一端为冷凝段(冷却段)，根据需要可在两段中间布置绝缘段。当热管上一端受热时，毛细芯中的液体工质蒸发汽化，蒸汽在微小的压差下流向另一端，放出热量，凝成液体，液体在毛细力的作用下沿吸液芯流回蒸发段，如此循环，热量由热管的一端传至另一端。(热管的结构见图1)
2.2 热管的特点
1 )传热能力大，热管的热传导率是性质优良的导热金属如:银、铜、铝的百倍甚至上千倍。
2) 等温性能好，热管表面温度梯度可以控制得很小。
3) 具备热流密度变换能力，热管中空间可分为蒸发段和冷凝段。在加热端的蒸发段可用高热流密度输入，在冷却端的冷凝段可用低的热流密度输出，因此可实现热流密度变换。
4)热管不受热源和散热器接触面及结构的限制，可单独设计可满足各种使用要求。
5) 热管可采用电绝缘材料制成，因此可以和高电压电气设备直接配用。
6) 热管的工作是靠所传输的热量驱动的，因此无需外加动力。
2.3 热管的分类
第一类:用于高温高性能的工作范围在500℃-2000℃
第二类:用于中等温度范围的工作范围在0℃-250℃
第三类:用于低温和深冷的工作范围在-70℃-0℃
电力电子装置一般在0—40℃温度范围内工作。
电力电子器件一般在0-150℃范围内工作，显然第二类热管适用于电力电子装置及其器件。
第二类热管通常有水-铜热管(水-铜热管即:以水为质，以铜为管壳材料的热管，其他热管依此类推。)、水-不锈钢热管、氨-铝热管等等。由于水-铜热管的效率高，安全稳定，因此以水-铜热管为主导。
2 热管散热器在电力电子装置中应用的难点
热管是优良的传热元件，然而热管本身不能完成整个散热过程，应用于电力电子装置的热管散热器有如下结构:通常是在加热段上装加个铝或铜的称之为“鞍座”的板块。在冷凝段上压装铝散热片。装在鞍座上的电力电子元件产生的热量经热管传输到冷凝段采用自然或强道对流换热达到散热目的。热管散热器如图2所示。
与传统的实体散热器相比，由于加热段上鞍座输入热量允许有较高的热流密度，可在较小的接触面上吸收较大的热量，可使发热元件的温度降得更低，又由于热管的热阻小，提高了散热片的温度，使翅片有较高的效率，同样的散热量可采用面积较小的翅片。因此热管散热器具有更小的体积和更轻的重量。
热管散热器尽管有种种优越之处，它的应用还是有若干困难。其一是热管散热器的效率受冷凝段的外部条件限制，即在一定条件下，冷凝段的散热面积很大程度上决定了散热器的尺寸。其二是热管两端界面不能达到较低的热阻。如上所述，增多翅片，可使冷凝段热阻减少，而减少加热段的热阻却有困难。
正如文献(2)指出的“尽管热管本身是一个优良的热导体，但用在冷却时的效率却明显地受到实际热源及散热器界面热阻的限制”
热源和散热器界面热阻关系可用下列方程表述:

式中: 散热系统总热阻 ℃/W
Rjc 电力电子元件的结壳热阻 ℃/W
Rcs 电力电子元件外壳与散热器鞍座接触热阻℃/W
Rsa 热阻散热器翅片与外界对流换热热阻 ℃/W
Tj 电力电子元件最高节温 ℃
Ta 环境(空气)温度 ℃
P 电力电子元件的功耗 W
分析上述各热阻可知，Rjc是由元件自身决定的，Rcs为热源界面热阻，Rsa为散热器界面的热阻后二项热阻，在总热阻 中占较大比重，如何减少这两个热阻值，则是热设计的要点。当热管散热器总长一定时，电力电子元件的布置方式，即占用鞍座长度愈小，则散热器界面愈大，即Rsa愈小，所以元件双面比单面布置占用长度要小，有利于增大冷却界面，减少散热器界面的热阻Rsa(布置形式见图3所示)，此外，在元件安装平面上涂硅油，有助于减少热源界面的热阻Rcs。从事电力电子装置设计的工作者克服了上述种种困难，经过20多年的努力，使得热管散热器的应用取得了很大的进展。
3 热管散热器在电力电子领域的应用现状
1) 1974年北京变压器厂和中国电科院力学研究所研制组研制成功500A晶闸管热管风冷散热器。
2) 1978年重庆大学辛明道教授研制的500A晶闸管的热管风冷散热器，应用于重庆三江钢绳厂的热处理加热炉电源。
3) 1978年Brost报道了西德研制的用于电力机车的大功率半导体元件冷却的热管散热器。
4) 1997年天津电气传动研究所研制成采用3英寸晶闸管热管散热器的大功率电源。
5)1999年辽宁海城热管散热器厂研制成功用于四英寸可控硅元件的的大功率热管风冷散热器。
6)2000年北京先行新机电技术有限责任公司研制了HVF2000型1000kW、10kV高压变频器的功率单元上成功地运用了热管散热器。
热管在散热器的一侧装有一或二个轴流风机，以实现散热器的温通对流散热。
4 热管散热器在HVF—2000系列高压变频器上的应用
4.1 HVF—2000系列高压变频器的特点
HVF—2000型高压变频器是北京先行新机电技术有限责任公司近年新开发的产品，是一种功率单元为金属板冲压成形、抽屉式模块化结构形式的变频器。由于功率单元是用金属板经冲压加工焊接制成，本身具有电磁屏蔽作用。功率单元的整流、逆变电路的二极管桥组和IGBT桥组均安装在RSF—38型热管散热器的鞍座上，分单面安装和双面安装两种形式。在散热器翅片一侧装由小型轴流风机以实现其强迫对流换热，如图4所示。
4.2 RSF—38型热管散热器
它是一种中温范围内工作的水—铜热管散热器，每个散热器有2支水—铜热管，热管蒸发段一端采用压装方式装入铝型材制成的鞍座上，鞍座两平面可固定二极管桥组和IGBT桥组，热管另一端压装若干铝散热片。热管蒸发段内部为粉末烧结成的吸液芯，由于粉末烧结吸液芯孔隙小而密，使其具有较大的蒸发面积和较大的热流密度。尤其在双面安装元器件时，使鞍座有较小的长度而又具有较大的元件安装密度。散热片为铝板冲压而成，散热片重量轻，而散热能力强，热响应快，是一种成熟的，用于电力电子元件的散热装置。
4.3 实体铝型材散热器和热管散热器应用效果的比较
4.3.1 实体铝型材散热器
早期用于HVF高压变频器功率单元的铝型材散热器(如图4所示型号)，二极管桥组和IGBT桥组分别装在2个散热器上，由于IGBT工耗较大，散热器外型尺寸为217×85×130，散热器散热面积为A=0.42m2，风速为8m/s，Rsa=0.094°C/W。
IGBT桥组参数为U=1200V，Ic=112A，Ija=50.4A
℃/W
W
二极管桥组参数为U=800V，Id=112A，I=41.2A
∑pd=243W
结壳热阻和接触热阻之和为:
∑(Rjc+Rcs)=0.092℃/W
当Ta=40℃时，对于装IGBT桥组的散热器，IGBT结温为
Tji=∑P1[∑(Rjc+Res)+Rsa]+Ta=340[0.0305+0.094]+40=82.33℃＜125℃
散热器台面温度为:
TSI=Tji-∑P1[∑I(Rjc+Rcs)]=82.33-340×0.0305=71.96℃
二极管装在另一只散热器上，二极管节温为:
Tjd=∑pd[∑d(Rjc+Rcs)+Rsa]+Ta
=243[0.092+0.094]+40
=85.198≈85.20℃π150℃
散热器台面温度为:
Tsd=Tji-[∑pd∑(Rjc+Rcs)]=85.2-243×0.092=62.84℃
由此可见采用铝型材散热器的高压变频器的IGBT桥组和二极管桥组可在85℃以下的结温下安全运行。
4.3.2 热管散热器
RSF—38型热管散热器外型尺寸为600×130×85， Rsa=0.04℃/W，耗散功率为850W，散热器鞍座两面分别安装IGBT桥组和二极管桥组，总功耗为:
Ptot=∑Pd+∑PI
∴ Ptot=340+243=583W
对于IGBT桥组 ∑(Rjc+Rcs)=0.0305℃/W
对于二极管桥组 ∑(Rjc+Rcs)=0.092℃/W
散热器 Rsa=0.04 ℃/W
对于IGBT和二极管桥组，散热器的热阻是按为二者所耗散的功率大小分配的，所以有:
℃/W

℃/W
∴Tjt=340(0.0305+0.0686)+40=73.69℃＜125℃
Tjd=243(0.092+0.096)+40=85.68℃＜150℃
Tst=73.69-340×0.0305=63.32℃
Tst=85.68-243×0.092=63.32℃
由此可见，二极管桥组和IGBT的台面温度是一致的，这符合实际情况。上述计算结果和4.3.1比较可知。采用热管散热器后，同样工况，二极管桥组较采用铝型材散热器时的结温只提高85.68-85.20=0.48℃，而IGBT桥组结温却下降了82.33-73.69=8.64℃，从而延长了IGBT元件的寿命，提高了整机可靠性。
结论是:热管散热器的散热效果优于铝型材散热器。
参 考 文 献
(1) 《热管》马同泽、侯增祺、吴文铣编，科学出版社1983年
(2) 《电子设备可靠性热设计手册》 电子工业出版社1989年

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