紧凑的电力电子冷却的热虹吸式热交换器.doc

紧凑的电力电子冷却的热虹吸式热交换器摘要：电力电子产品的热损耗密度有不断增加的趋势。他们现在达到200 W/cm2时的芯片级和50 W/cm2时的散热器基座水平。冷却水是最有效的冷却方法，但不幸的是，水往往由于高电压或客户的要求而不受欢迎。两阶段冷却是一种很有前途的电子冷却技术。它允许在无源系统使用介电流体并且可以获得非常高的传热系数。热管是电力电子领域的一个特别有趣的技术，因为它是完全被动的，一个简单的设备。ABB已经开发了一个紧凑的热管换热器基于汽车技术，它使用大量的多端口挤压管的毛细管尺寸的通道平行排列在钎焊加热的基板，以达到预期的紧性。这种新型电力电子冷却系统的实验性能与R134a作为工作流体。实验研究了几种参数对性能的影响：冷却剂流量，冷却水温度，热负荷和流体充填。关键词：热管，热管，电力电子。命名AbBase plate area(m2)etBase plate thickness(m)hBase plate thermal conductivity(W/m K)QHeat load, thermal power(W)RthThermal resistance(K/kW)TTemperature(K)SubscriptsairAir-bBase plate-hotBottom-cCondenser-cbConduction through base plate-eEvaporator-fFluid-inInlet-outOutlet-topTop-wChannel wall1.简介热虹吸冷却系统已被公认为有益的电子热管理。在具有高的热传递系数下使用介电液和无泵操作是共电力电子热管理的一个有吸引力的组合。利用热管的各种换热设备的先进的比较中，瓦西里耶夫等人1-3描述强调，功率半导体制冷热管的使用，比标准热沉允许更高的功率密度比。maydanik等人 4，5 比较两相环路热管和热管的设计与性能，认为他们放弃简单的设计和低成本的同时，能够在很宽的范围内的模态参数和边坡的变化下有相当高效传热设备的操作。此外，如穆克吉和mudawar 6 ，使用小通道的热虹吸管对紧凑和低的材料和流体的使用非常有利，同时提供一个有效的气泡泵的作用。最后，铃木等人 7，8 证明了使用紧凑和低成本的汽车技术冷却电力电子小通道的热虹吸管可以实现。关注发生在这些设备中的物理现象，也有有趣的文章。例如，小直径的通道允许利用所谓的气泡泵的作用，进一步提高热性能。这种效应会导致液体插头在通道被推动和延迟干涸现象。这种液体的推动作用，通常显示一个最大热负荷如德拉诺所展示 9 。但在这样的系统中的一个问题是流动的不稳定性，更重要的是通道直径减小。一个小直径的通道蒸发器两相热虹吸循环的性能，最近由khodabandeh 10，11 测量得到。蒸发器通道直径为1.1mm至3.5mm，但立管一个是直径6.1mm。传热系数被发现是强烈地依赖于热通量和被均匀模型充分预测的压力降。填充率的影响也是一个重要的参数。王景荣和haider-e-alahi 12 研究了这种对R134a填充热虹吸管效应并且发现性能随填充比的增加而增加，在0.8时达到最大值。阿布紫燕等 13 发现，最大的性能是填充率为0.5的时候，当然还有R134a填充的热虹吸管。此外，他们发现，振动可能不利于沸腾极限和延长热虹吸管的工作范围。麦克唐纳德等人 14 实验测定优选是35%填充比在大直径两相热虹吸管里的R11制冷剂和显示数值模型，该优化是强烈地依赖于蒸发器的各自的长度，立管和冷凝器。这一事实或许可以解释为什么王景荣和haider-e-alahi 12 和阿布紫燕等。 13 ，具有不同的蒸发器和冷凝器，立管的长度，发现不同的最佳填充率。2. 热虹吸管的冷却器。目标是取代今天的铝风冷散热器用一种高性能和基于汽车换热技术的紧凑热虹吸器，如图1所示。相关的好处是降低产品的整体规模，提高功率密度，降低风机噪声和改进的机械设计。图2显示了细节的设计和工作原理。冷却器是由平行的铝MPE（多端口挤压）管的尾部与歧管的顶部和尾部连接而成的。冷却器分为加在底部立管段蒸发器、加在顶部降液管段的冷凝器。MPE管是由几个平行的小通道（通常是7到13通道）组成。这些通道是专门用于蒸发，和钎焊到用来热电子的基板，热电子来自于用来冷凝的固定在剩余通道百叶窗般的空气翅片。因此每个MPE管就像一个特别的热虹吸管。这种设计允许有大量的MPE管在一个给定的体积，因此产量比传统热管冷却器热流密度高。几何参数如表1所示。Fig. 1 ABB compact thermosyphon cooler.Table 1 Geometrical parameters.Height400Width200Depth18MPE tube pitch8Air fin