吳曉亮

(河北匯能電子技術有限公司,河北石家莊 050035)

熱管散熱在大功率電源系統中的運用

吳曉亮

(河北匯能電子技術有限公司,河北石家莊 050035)

大功率軍用電源系統的散熱設計,對整個系統能否穩(wěn)定可靠運行,起著極其重要的作用。本文以一個設計案例為基礎,通過對系統整體散熱方式的選擇,到具體從模塊散熱形式的確定,概括的作了介紹。

系統熱設計;熱管散熱;風冷設計

1 引言

如何保證電子設備的長時間可靠運行,在電子設備廣泛應用的今天,一直是個難題。雖然造成電子設備故障的原因很多,但是高溫是其中最重要的因素,溫度對電子設備的質量影響高達60%。

隨著微電子技術及組裝技術的發(fā)展,現代電子設備正日益成為由高密度組裝、微組裝所形成的高度集成系統。電子設備熱流密度地越來越高,日益成為系統穩(wěn)定工作和性能提升的絆腳石。數據顯示, 45%的電子產品損壞是由于溫度過高。

可靠性研究表明:如圖1所示一種數字裝置失效率與溫度之間的關系。隨著溫度增加,元器件失效率呈指數增長,嚴重影響設備可靠性。

2 系統散熱形式

為保證元器件能長時可靠工作,必須根據元件芯片材料、封裝材料和可靠性要求確定一個最高允結溫,記為Timax。在為電子元器件和電子設備選擇散熱或冷卻方法時,元器件的最高允許結溫是最重要的參數。硅器件塑料封裝最高允結溫為125℃～150℃。

在實際工作中,元器件的結溫是無法測量的,但是元器件的表面溫度容易測量,于是通過試驗獲得對應于從元件表面到環(huán)境的溫升ΔTs-a的故障率,并以此作為元器件和設備熱設計的重要參考指標。（軍用電子元器件和設備要求工作范圍為-45～125℃)當已知電子元器件或設備的耗散熱量,又規(guī)定超過局部環(huán)境條件的允許溫升時,可用圖2所示的溫差ΔTs-a與各種冷卻方法及熱流密度的關系曲線參考選擇。

圖1 數字裝置失效率與溫度之間的關系

圖2 ΔTs-a與各種冷卻方法及熱流密度的關系

2.1 系統設計要求

1)電源系統所用供電模塊,要求具有電磁兼容設計和密封防潮設計。

2)整體系統由6個模塊單元組成,具有N+1備份和容量冗余設計。單個模塊熱功耗230W。

3)系統要求便于運行維護,可野外無人值守,體積小重量輕(便于安裝搬運)

4)系統工作溫度范圍-40℃～55℃;模塊高溫保護溫度90℃。

2.2 散熱方案的確定

根據系統工作溫度要求,很容易計算出元件表面到環(huán)境的溫升ΔTs-a為35℃左右。

計算公式為:

因為系統要求便于運行維護,且可野外無人值守,所以暫考慮使用自冷或風冷方式。因為液冷方式增加了液體循環(huán)系統,使系統較復雜且增加了維護成本。

參考溫差ΔTs-a與各種冷卻方法及熱流密度的關系曲線,可以初步確定,如果模塊的熱流密度在0.1W/cm2左右,可考慮使用強迫風冷方式。

因為已知單個模塊熱功耗230W,理論上只要單個模塊散熱面積>2300cm2即可。

散熱面積=230/0.1=2300cm2

又因為模塊功率密度大,熱源集中,而且要求殼體密封,內部熱量無法通過傳統散熱方式(傳導,對流,輻射)有效散熱,考慮內部使用熱管散熱技術,將模塊熱源導出到附加散熱片,以增大散熱面積降低熱流密度。

3 熱管散熱器的設計

熱管是一種具有極高導熱性能的傳熱元件,導熱能力比普通金屬高幾百倍。據相關資料表明,高質量熱管的傳熱效率是銅的1490倍,傳遞速度可達30m/s,遠遠高于世界上任何導熱金屬和傳熱技術,能到達瞬時傳熱的效果

熱管只是一種導熱裝置,并不是一種散熱裝置,要將熱管應用到散熱方面,必須在熱管的散熱端安裝一定的散熱裝置。如圖3所示如果單純的將熱管和發(fā)熱體相連,只能達到一個熱量聚集的效果,并不能實現熱量散發(fā)的功能。熱管的工作原理在相關的資料中都可找到這里不作詳解。

圖3 熱管的散熱

3.1 熱管的選擇

已知Φ取模塊耗熱量230W;對流換熱表面系數α=45W/(m2.k);溫差t=150-55=95℃

代入公式可得:

根據計算結果,推算出所用熱管組的總截面積為540cm2。

3.2 散熱片的設計

式中:Φ-單個模塊耗熱量,W

根據系統條件可知,Φ=230W;α取經驗值α=37 W/(m2.k);矩形肋片效率η0=0.627;tw=90℃;t =55℃。

代入公式可得:

散熱器首選熱導率高的鋁板或銅板,考慮到性價比,模塊選用矩形直肋鋁材料做散熱片,散熱面積2830m2。鋁外殼內表面涂漆或鋁表面陽極化,可以增加印制電路板到外殼壁的輻射傳熱量。其散熱面積>2300cm2所以滿足強迫風冷的要求)

4 系統風冷散熱的設計

印制電路板和功率器件(熱源)被密封在金屬盒內,然后再把這些盒子裝在大型機柜中,金屬外殼使射頻干擾和電磁干擾減至最小,也防礙了直接通風冷卻。元件產生的熱量必須通過內部傳導、對流和輻射的綜合作用傳到密封外殼的內壁,然后這些熱量必須通過密封外殼的各壁以對流或某些輻射方式傳遞到外部環(huán)境。

4.1 風量的計算設計

系統需要強迫風冷方式,對模塊散熱,通過設計風量qm,控制出入口氣流溫差Δt1和模塊表面溫升Δt從而可以控制模塊表面溫度ts,也就控制了器件的結溫,起到維持模塊安全穩(wěn)定運行的作用。系統風量與各參數的關系見以下公式:

為確保設備正常工作,空氣出口溫度一般不超過70℃,所以Δt1<(70-ta)℃,ta為環(huán)境溫度。

采用鼓風方式時,系統總耗熱量Φt還要包括電機工作中產生的熱耗。即

現在計算風冷所需空氣流量qm,先預設風機電機耗熱Φd=30W,根據系統設計要求可算出Φt=6 ×230w+30W=1410W;Δt1=70-55=15℃;空氣的比定壓熱容Cp=1005 J/(kg.K)代入公式得:

查表可計算出在環(huán)境溫度為70℃時的空氣密度ρ=1.026 kg/m3,代入公式可得:

通過計算,系統散熱大概所需的通風量已求出。由于系統風口尺寸要求,單臺風機供風不好實現。所以選擇多臺風機供風。

4.2 風機的選擇

在電子設備的強迫風冷中,在采用單臺風機達不到溫升控制的要求時,可采用幾臺風機并聯和串聯聯合工作來達到對的要求。這里采用風機并聯來增加風量,如圖4所示。

并聯風機風量-壓力曲線此系統可選用4臺風量為84 m3/h的風機,4×84=336 m3/h>324 m3/ h,滿足設計要求。

4.3 風道的設計

由于空氣具有質量和動能,要降低其流動阻力,要使其具有較好的流態(tài)。當風機置于風道口后方時,空氣流經路徑較長,提高了流速,有利于形成全展開流。筆者設計的風道如圖5所示。

圖4 并聯風機物理圖及風量-壓力曲線圖

圖5 風道設計圖

風道在設計過程中要注意以下幾點:

1)風道要短而直。必須采用彎頭時,應盡可能加大彎頭半徑,以減少局部的阻力損失。

2)風道截面的形狀盡可能與被冷卻設備(機箱)的形狀相一致,避免風道截面的突然改變。

3)在結構尺寸允許范圍內,選用大截面風道。風道截面增大可減少阻力損失,同時可降低風機的噪聲。

4)風道內壁應光滑,以減少氣流流動的摩擦阻力。當風道中需安裝過濾網時,在過濾效果和流阻之間應予權衡。

5 結論

大功率系統的散熱設計,需要兼顧考慮多種因素,在設計之初正確地選擇散熱方式,是成功設計的關鍵。在系統的設計中常會用到冗余設計,因為在可靠性要求嚴格的軍工行業(yè),對產品的質量要比經濟效益更加看重。風冷方式較之液冷方式是一種較經濟的散熱設計,熱管的使用,使封閉模塊內集中的熱源可以高效地轉移到殼外,再配以散熱片,使風冷設計得以實現。

[1] 余建祖.電子設備熱設計及分析技術(第2版)[D].北京航空航天大學出版社,2008.11.

[2] 張兆光.電子設備冷卻設計手冊:電子工業(yè)部第十四研究所,1984.6.

[3] 錢濱江.簡明傳熱學手冊[M].北京:高等教育出版社,1983.

[4] 王健石.電子設備結構設計標準手冊[M].北京:中國標準出版社,1993.

[5] 馬同澤,侯增祺,吳文銑.熱管[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

吳曉亮(1974-),男,河北石家莊人,工程師,主要從事電氣工程及結構設計研究與開發(fā).