热管散热在大功率电源系统中的运用

吴晓亮

(河北汇能电子技术有限公司,河北石家庄 050035)

热管散热在大功率电源系统中的运用

吴晓亮

(河北汇能电子技术有限公司,河北石家庄 050035)

大功率军用电源系统的散热设计,对整个系统能否稳定可靠运行,起着极其重要的作用。本文以一个设计案例为基础,通过对系统整体散热方式的选择,到具体从模块散热形式的确定,概括的作了介绍。

系统热设计;热管散热;风冷设计

1 引言

如何保证电子设备的长时间可靠运行,在电子设备广泛应用的今天,一直是个难题。虽然造成电子设备故障的原因很多,但是高温是其中最重要的因素,温度对电子设备的质量影响高达60%。

随着微电子技术及组装技术的发展,现代电子设备正日益成为由高密度组装、微组装所形成的高度集成系统。电子设备热流密度地越来越高,日益成为系统稳定工作和性能提升的绊脚石。数据显示, 45%的电子产品损坏是由于温度过高。

可靠性研究表明:如图1所示一种数字装置失效率与温度之间的关系。随着温度增加,元器件失效率呈指数增长,严重影响设备可靠性。

2 系统散热形式

为保证元器件能长时可靠工作,必须根据元件芯片材料、封装材料和可靠性要求确定一个最高允结温,记为Timax。在为电子元器件和电子设备选择散热或冷却方法时,元器件的最高允许结温是最重要的参数。硅器件塑料封装最高允结温为125℃～150℃。

在实际工作中,元器件的结温是无法测量的,但是元器件的表面温度容易测量,于是通过试验获得对应于从元件表面到环境的温升ΔTs-a的故障率,并以此作为元器件和设备热设计的重要参考指标。（军用电子元器件和设备要求工作范围为-45～125℃)当已知电子元器件或设备的耗散热量,又规定超过局部环境条件的允许温升时,可用图2所示的温差ΔTs-a与各种冷却方法及热流密度的关系曲线参考选择。

图1 数字装置失效率与温度之间的关系

图2 ΔTs-a与各种冷却方法及热流密度的关系

2.1 系统设计要求

1)电源系统所用供电模块,要求具有电磁兼容设计和密封防潮设计。

2)整体系统由6个模块单元组成,具有N+1备份和容量冗余设计。单个模块热功耗230W。

3)系统要求便于运行维护,可野外无人值守,体积小重量轻(便于安装搬运)

4)系统工作温度范围-40℃～55℃;模块高温保护温度90℃。

2.2 散热方案的确定

根据系统工作温度要求,很容易计算出元件表面到环境的温升ΔTs-a为35℃左右。

计算公式为:

因为系统要求便于运行维护,且可野外无人值守,所以暂考虑使用自冷或风冷方式。因为液冷方式增加了液体循环系统,使系统较复杂且增加了维护成本。

参考温差ΔTs-a与各种冷却方法及热流密度的关系曲线,可以初步确定,如果模块的热流密度在0.1W/cm2左右,可考虑使用强迫风冷方式。

因为已知单个模块热功耗230W,理论上只要单个模块散热面积>2300cm2即可。

散热面积=230/0.1=2300cm2

又因为模块功率密度大,热源集中,而且要求壳体密封,内部热量无法通过传统散热方式(传导,对流,辐射)有效散热,考虑内部使用热管散热技术,将模块热源导出到附加散热片,以增大散热面积降低热流密度。

3 热管散热器的设计

热管是一种具有极高导热性能的传热元件,导热能力比普通金属高几百倍。据相关资料表明,高质量热管的传热效率是铜的1490倍,传递速度可达30m/s,远远高于世界上任何导热金属和传热技术,能到达瞬时传热的效果

热管只是一种导热装置,并不是一种散热装置,要将热管应用到散热方面,必须在热管的散热端安装一定的散热装置。如图3所示如果单纯的将热管和发热体相连,只能达到一个热量聚集的效果,并不能实现热量散发的功能。热管的工作原理在相关的资料中都可找到这里不作详解。

图3 热管的散热

3.1 热管的选择

已知Φ取模块耗热量230W;对流换热表面系数α=45W/(m2.k);温差t=150-55=95℃

代入公式可得:

根据计算结果,推算出所用热管组的总截面积为540cm2。

3.2 散热片的设计

式中:Φ-单个模块耗热量,W

根据系统条件可知,Φ=230W;α取经验值α=37 W/(m2.k);矩形肋片效率η0=0.627;tw=90℃;t =55℃。

代入公式可得:

散热器首选热导率高的铝板或铜板,考虑到性价比,模块选用矩形直肋铝材料做散热片,散热面积2830m2。铝外壳内表面涂漆或铝表面阳极化,可以增加印制电路板到外壳壁的辐射传热量。其散热面积>2300cm2所以满足强迫风冷的要求)

4 系统风冷散热的设计

印制电路板和功率器件(热源)被密封在金属盒内,然后再把这些盒子装在大型机柜中,金属外壳使射频干扰和电磁干扰减至最小,也防碍了直接通风冷却。元件产生的热量必须通过内部传导、对流和辐射的综合作用传到密封外壳的内壁,然后这些热量必须通过密封外壳的各壁以对流或某些辐射方式传递到外部环境。

4.1 风量的计算设计

系统需要强迫风冷方式,对模块散热,通过设计风量qm,控制出入口气流温差Δt1和模块表面温升Δt从而可以控制模块表面温度ts,也就控制了器件的结温,起到维持模块安全稳定运行的作用。系统风量与各参数的关系见以下公式:

为确保设备正常工作,空气出口温度一般不超过70℃,所以Δt1<(70-ta)℃,ta为环境温度。

采用鼓风方式时,系统总耗热量Φt还要包括电机工作中产生的热耗。即

现在计算风冷所需空气流量qm,先预设风机电机耗热Φd=30W,根据系统设计要求可算出Φt=6 ×230w+30W=1410W;Δt1=70-55=15℃;空气的比定压热容Cp=1005 J/(kg.K)代入公式得:

查表可计算出在环境温度为70℃时的空气密度ρ=1.026 kg/m3,代入公式可得:

通过计算,系统散热大概所需的通风量已求出。由于系统风口尺寸要求,单台风机供风不好实现。所以选择多台风机供风。

4.2 风机的选择

在电子设备的强迫风冷中,在采用单台风机达不到温升控制的要求时,可采用几台风机并联和串联联合工作来达到对的要求。这里采用风机并联来增加风量,如图4所示。

并联风机风量-压力曲线此系统可选用4台风量为84 m3/h的风机,4×84=336 m3/h>324 m3/ h,满足设计要求。

4.3 风道的设计

由于空气具有质量和动能,要降低其流动阻力,要使其具有较好的流态。当风机置于风道口后方时,空气流经路径较长,提高了流速,有利于形成全展开流。笔者设计的风道如图5所示。

图4 并联风机物理图及风量-压力曲线图

图5 风道设计图

风道在设计过程中要注意以下几点:

1)风道要短而直。必须采用弯头时,应尽可能加大弯头半径,以减少局部的阻力损失。

2)风道截面的形状尽可能与被冷却设备(机箱)的形状相一致,避免风道截面的突然改变。

3)在结构尺寸允许范围内,选用大截面风道。风道截面增大可减少阻力损失,同时可降低风机的噪声。

4)风道内壁应光滑,以减少气流流动的摩擦阻力。当风道中需安装过滤网时,在过滤效果和流阻之间应予权衡。

5 结论

大功率系统的散热设计,需要兼顾考虑多种因素,在设计之初正确地选择散热方式,是成功设计的关键。在系统的设计中常会用到冗余设计,因为在可靠性要求严格的军工行业,对产品的质量要比经济效益更加看重。风冷方式较之液冷方式是一种较经济的散热设计,热管的使用,使封闭模块内集中的热源可以高效地转移到壳外,再配以散热片,使风冷设计得以实现。

[1] 余建祖.电子设备热设计及分析技术(第2版)[D].北京航空航天大学出版社,2008.11.

[2] 张兆光.电子设备冷却设计手册:电子工业部第十四研究所,1984.6.

[3] 钱滨江.简明传热学手册[M].北京:高等教育出版社,1983.

[4] 王健石.电子设备结构设计标准手册[M].北京:中国标准出版社,1993.

[5] 马同泽,侯增祺,吴文铣.热管[M].北京:科技出版社,1983.

Heat pipe heat design in a high-powered power supply system of use

WU Xiao-liang

(Hebei HuiNeng Electronic Technology Co.,L TD,Shijiazhuang Hebei050035,China)

High-pow ered military pow er system of the w hole system design,heat stable and reliable operation,can p lay a very impo rtant role.This paper is based on a design case,through the system as a w hole,the choice of the w ays of heat from module to specific heat form s of certain,general is introduced in this paper.

System hot design;Heat pipe heat;Air-cooled design

TP273

:A

1001-9383(2011)01-0039-05

2011-01-27

吴晓亮(1974-),男,河北石家庄人,工程师,主要从事电气工程及结构设计研究与开发.