基于熱管技術的礦井透地通信主機散熱結構設計

時間:2017-10-30 9:20:00 來源:中國散熱器網 添加人:admin

  工礦自動化王侃。基于熱管技術的礦井透地通信主機散熱結構設計。工礦自動化,2016,42(10):48-基于熱管技術的礦井透地通信主機散熱結構設計王侃12(1.中煤科工集團重慶研究院有限公司,重慶400039;2.瓦斯災害監控與應急技術國家重點。

  隔爆型透地通信主機外觀結構主機在井下避難硐室使用,設其環境溫度為25°C.選用熱管工質為水和紫銅,銅導熱系數Ap K)。熱管參數:外徑‘段管壁內徑4=15.22mm,蒸發段芯子內徑絕熱段長La=60mm,冷凝段長Le=290mm.熱源芯片直接安裝在基板上,結合界面上涂覆導熱絕緣硅脂,熱管蒸發段直接嵌入基板內部并與熱源芯片靠近。基板采用紫銅材料,同時加工形成法蘭隔爆面與主機箱體連接。功率模塊1功耗Q:=500W,共16根熱管,使用矩形散熱筋片,共76片,散熱筋片長度L:= 180mm,厚度次= 0.8mm,間距5:=8mm.其散熱結構如所示。

  功率模塊2功耗Q2=400W,共34根熱管,使用矩形散熱筋片,共40片,尺寸為長度L2=430mm,寬度Zi2熱結構如所示。功率模塊3功耗3=300W,共15根熱管,使用矩形散熱筋片,共34片,尺寸為長度L3 =8mm.其散熱結構如所示。

  功率模塊1散熱結構功率模塊2散熱結構功率模塊3散熱結構2熱管散熱結構熱阻數值計算由于篇幅限制,下面選取功率模塊1進行數值計算。整個功率模塊的熱阻等效電路如5所示。

  尺£一功率器件結點到管殼熱阻;乃一芯片結溫一管殼到基板熱阻一基板到熱管熱阻;―熱管到環境空間熱阻;乃一環境溫度功率模塊的熱阻等效電路總熱阻為基板到熱管蒸發段熱阻為沁為冷凝段管壁熱阻;i6為冷凝段與環境之間熱阻。

  代入前面參數可得Ri二0.372代入前面參數可得R4二0.0235K/WC表1 25C時的空氣物理特性參數項目導熱系數/(Wm-1―3)普朗特數符號數值將表1中參數及式(11)代入式(10),可得努賽爾系數Nu 96時,總面積At(16根熱管,76片筋片)為將式(4)一式(9)代入式(3),得熱管到環境空間熱阻為作為恒溫元件,則熱管基板的溫度為功率模塊1、功率模塊2、功率模塊3均選用=(25+0.1697X500)=109.85該芯片允許的最大結溫為150C,基本上能滿足工作要求。同樣按照上述方法可以計算得到功率模塊2、功率模塊3也滿足散熱性能要求。

  3熱管散熱結構熱仿真分析前文對功率模塊1熱管散熱結構等效熱阻進行了數值計算,得到了功率模塊1熱管底板溫度及芯片結溫。現再對功率模塊1熱管散熱結構進行熱仿真分析,并與數值計算結果進行對比。采用六面體單元網格離散化熱管散熱結構三維模型,對熱管與散熱片、熱管與底板之間定義為綁定接觸。在底板正面施加500W熱流量,定義空氣環境溫度為25C,對流傳熱系數為15W/(m K)對散熱片及熱管冷卻段施加自然對流邊界條件。運算得到功率模塊1熱管散熱結構溫度場分布云,如所示,熱流密度分布云如所示。

  從可知,功率模塊1熱管散熱結構最大溫功率模塊1熱管散熱結構溫度場分布云功率模塊1熱管散熱結構熱流密度分布云度在底板背面安裝熱源芯片區域,最高溫度達到67.52°C.靠近熱管蒸發段區域散熱片溫度較高,熱管冷卻段區域散熱片溫度分布均勻,幾乎與環境溫度接近,表明熱管起到了很好的散熱效果。前面數值計算結果為65.35C,與數值仿真結果十分接近。從可知,熱流密度最大的區域主要集中在熱管蒸發段及與其接觸的部位,熱管冷卻段附近散熱片熱流密度明顯降低,表明熱管在高熱流密度散熱中起到了極大的作用。

  4樣機散熱性能驗證結合前面設計,加工制造出隔爆型透地通信主機樣機。按照實際工況將透地通信主機連續運行8h以上,直到隔爆腔溫度穩定,在功率模塊1熱管散熱器基板上加裝熱電偶測試其溫度變化,同時監測功率模塊1上芯片熱源的溫度,前1h每隔10min測量1次溫度,13h每間隔30min測量1次溫度,3h后,每隔1h測量1次溫度,測量數據見表2.從表2可看出,基板與芯片熱源溫度變化趨勢較為吻合,在透地通信主機正常運行1h后溫度基本穩定,其中基板溫度在67C左右波動,芯片熱源溫度在105C左右波動。樣機試驗結果與數字計算及仿真結果較為吻合。

  表2測量數據測量時溫度/C測量時間/min溫度/C基板芯片熱源基板芯片熱源5結語當煤礦發生突發事故,其他通信設備均被損壞時,礦井透地通信系統將發揮重大的作用。目前,煤礦開采大多采用深部開采,透地通信穿透距離增大,故透地通信系統均采用了較大功率,隔爆型礦井透地通信系統散熱問題是亟需解決的問題。本文設計的基于熱管技術的礦井透地通信主機散熱結構較好地解決了這問題,并對整個結構熱阻進行了詳細數值計算,得出了采用該結構的散熱器允許的功率模塊最大結溫,并對熱管散熱結構進行了熱仿真分析。溫度場云圖與數值計算結果十分吻合,樣機溫度監測試驗也驗證了設計的正確性,為類似散熱結構設計提供了定的。

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