CN110285993A - 一种大功率热管散热器散热瓶颈测定方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种大功率热管散热器散热瓶颈测定方法，属于电子器件散热技术领域；本发明通过测量额定工况下的散热器内部特征温度点数据，计算各环节传热温差并与其理论预期值对比分析，从而找到制约热管散热器整体性能的主要环节，揭示出热管散热器散热瓶颈，以指导热管散热器优化改进方向；本发明克服了热管散热器设计和评估中的盲目性，可准确诊断出已有大功率散热器性能是否还有较大改进空间，以及该从何处改进。

Description

一种大功率热管散热器散热瓶颈测定方法

技术领域

本发明属于电子器件散热技术领域，具体涉及一种大功率热管散热器散热瓶颈测定方法。

背景技术

随着半导体功率器件的快速发展，单个器件的功率密度越来越高，目前晶闸管功率水平已达9kV/12kA、GTO达9kV/10kA、IGBT达6.6kV/3.5kA，由于这些大功率半导体器件额定电压高、额定电流大，其发热总量大、发热密度高，对散热器的散热效率要求非常高，其冷却散热也是制约大功率电力电子设备体积、重量及可靠性的核心。在采用风冷散热时，需要采用大功率热管散热器。

由于大功率热管散热器对散热器体积、风量、整体热阻等技术指标的限制要求非常严格，其研制过程相对困难。目前大容量热管散热器研制过程中，一般都是对设计方案进行温度场仿真或试制样品并测试、当测试结果不满足项目要求时则重新调整设计方案再仿真或打样测试，直至找到符合项目要求的方案。这个设计方案调整过程是基于设计者的经验和判断去进行不断尝试，比如改变翅片数量及形状、调整热管形状及组合方式、改变基板尺寸等，产品设计及方案依赖于设计者的经验，缺乏针对性、设计结果也具有较大随机性和不确定性，会导致多次尝试仍找不到合格方案，或找到了合格方案但技术经济指标非最优。

目前的散热器测试方法一般是测试散热器整机性能指标，即散热器在给定热源功率及冷却介质流量下的整体温升或热阻数据，其结果可判断散热器性能是否合格，但难以指引散热器改进方向。

发明内容

本发明的目的在于提供一种大功率热管散热器散热瓶颈测定方法，通过测试散热器内部的温度场分布特征，获得各部件传热温差并与理论值比较，从而分析制约散热器散热性能的瓶颈，进而指导热管散热器优化改进方向。

为了达到上述目的，本发明提供以下技术方案：

本发明提供一种大功率热管散热器散热瓶颈测定方法，包括以下步骤：

(1)根据已知给定大功率热管散热器的结构组成，将其分解为多个相对独立的传热单元；

(2)在散热器额定运行工况下，从各传热单元上选择代表性位置作为温度特征点，测量各特征点的温度分布数据；

(3)根据步骤(2)所得温度分布数据，计算各传热单元的实测温差；

(4)根据各传热单元的数学模型或经验数据，估算各传热单元在对应工况下的温差理论预期值；

(5)将各传热单元的实测温差与理论预期值对照，判断各传热单元为温差异常环节或者温差正常环节；

(6)结合各传热单元的实测温差大小、温差是否异常，判断各传热单元是否严重制约散热器散热性能或者已经足够优化，进而确定制约散热器性能的瓶颈。

优选的，步骤(1)中，所述传热单元包括在不同位置的代表性子部件，以及不同部件的接触面。

进一步，所述代表性子部件包括基板、热管、翅片等结构件。

进一步，所述接触面包括基板与热管的接触面，热管与翅片的接触面，以及散热器不同位置的子部件接触面。

更进一步，所述基板与热管的接触面包括热源正对位置背部的基板与热管接触面，以及远离热源位置的基板与热管接触面。

优选的，步骤(5)中，判断各传热单元为温差异常环节或者温差正常环节的依据为：当某环节的实测温升与其理论预期值相符时，则判定该环节温升正常即该散热器此环节的传热或散热性能已达到其预期水平；否则判定该环节温升异常。

优选的，步骤(6)中，判断各传热单元是否为制约散热器散热性能瓶颈的依据为：

a、当某传热单元实测温差较大且温差异常时，可判定该环节是制约散热器性能的主要环节，可重点进行优化改进；

b、当某传热单元实测温差较小但温差异常时，则判定该环节仅会小幅影响散热器整体性能，可以优化但提升空间有限；

c、当某传热单元温差正常时，不论实测温差大小，则判定该环节散热性能已达到或接近该给定条件下的理论极限、优化空间不大，不需再优化。

本发明的有益技术效果为：

(1)本发明提供一种大功率热管散热器散热瓶颈测定方法，克服热管散热器设计和评估中的盲目性，提出一种大容量热管散热器散热瓶颈测定方法，可以揭示出已有热管散热器性能的瓶颈。

(2)本发明所述大功率热管散热器散热瓶颈测定方法，通过测量额定工况下的散热器内部特征温度点数据，计算各环节传热温差并与其理论预期值对比分析，从而找到制约热管散热器整体性能的主要环节，进而指导热管散热器优化改进方向，该测定方法科学、准确，尤其适用于评估已有大功率散热器整机性能是否还有较大改进空间及从何处改进的评估判断。

附图说明

图1为本发明大功率热管散热器散热瓶颈测定方法的流程图。

图2为实施例中大功率热管散热器的结构示意图；

图中：1-发热源；2-散热器基板；3-热管；4-翅片；5-风道。

图3为实施例中大功率热管散热器温度特征点的分布图。

具体实施方式

下面结合具体实施方式对本发明进行详细的说明。

本发明提供的这种大功率热管散热器散热瓶颈测定方法，如图1所示，包括以下步骤：

步骤1、根据该散热器的结构特点可知，其热量传递过程是由发热源依次经过基板、热管传导到翅片，再由翅片与空气换热后，经热风排出(如图2所示)，考虑到热管或翅片是由多个单体构成且各单位相对位置也存在较大差异，传热过程不是简单的一维传热而是立体传热，为了简化分析并结合传热散热过程，可选择基板整体、基板正下方及远离基板的两个热管、靠近基板与远离基板的两张翅片、出风口横截面作为代表性的被测单元，考虑到接触热阻时，还应将相邻部件的接触面作为被测单元；

步骤2、在散热器额定运行工况下，选择基板上热源正下方(a位置)及远离热源的位置(b位置)，及其正反两面的对应位置(a′、b′位置)，作为基板上的特征温度点，其中基板上热源正下方及远离热源两个位置(a、b位置)的测点是为了对比考察基板横向温度场分布特性，正反两面的对应位置(a′、b′位置)测点是为了考察基板传导特性；选择热源正下方及远离热源的两个热管各自的首端(c、c′位置)和尾端(d、d′位置)为热管特征温度点，以考察热管传导特性；为了考察热管基板接触热阻特性，同时又减少温度测量点以简化温度测量步骤的实施难度，选择前述已经测量过的4个温度点作为热管接触面特征温度点，比如前述两个热管与基板接触面相邻的位置(a′和b′位置)，以及两个热管各自的首端(c和c′位置)，其中a′与c作为热源背部热管与基板接触面两侧的特征温度点，b′与c′作为热源背部远处的热管与基板接触面两侧的特征温度点；选择所选两张翅片上各自临近热管接触面(f、f′位置)和远离热管接触面的两个位置(g、g′位置)为翅片特征温度点，以考察翅片传热特性；选择出风口截面靠近基板(h位置)和远离基板(h′位置)、以及翅片空隙较大处(i位置)等多个位置为出风特征温度点，以考察风道特性，详细测温点分布可参见图3所示，测量各特征点的温度分布数据；

步骤3、在散热器额定运行工况即额定发热功率、额定风量等运行参数下，测量各特征温度点的实测温度值，并计算各环节的实测温差；

基板正下方正反两面的温差实测值为：

ΔT_{1_1}＝T₁-T₂ (1)

式(1)中T₁表示基板上靠近热源正下方(a位置)的测点温度，T₂表示基板背面正对热源(a′位置)的测点温度，同理其他环节的温差也可类似计算；

步骤4、对各个传热环节，利用近似简化的热力学等效模型或经验数据分析各个环节的理论预期温差。

比如，对于形状相对规则的基板，可认为大部分热量都是通过正对热源正下方的截面传递到各热管中，由此可计算热源正下方位置的基板正反两面温差理论值为：

式(2)中P_A表示热源额定发热功率，η表示热量经基板正下方向后传导的比例系数(一般可取为0.9-1.0进行估算)，λ表示基板材质对应的热传导率，d表示基板材质对应的热传导率，A_A表示热源底部截面积；

对于热管散热器中必不可少的热管，每个热管头部和根部的温差理论预期值可用下式估算：

式(3)中R₂表示所选用热管的等效热阻(其值可通过热管单体试验或查找同类热管的经验热管得来)，N_A表示热源正下方平面所对应的有效热管数量，对于图2中所示的L型热管，只要其L形状部分有一部分正对着热源底部，则该热管可视为有效热管，然后可统计所有有效热管的数量作为N_A；

同理，对于其它单元，可参考经典热力学理论或经验数据估算各个环节的理论预期温差数值；

步骤5、将各传热单元的实测温差与理论预期值对照，判断各传热单元为温差异常环节或者温差正常环节：具体而言，当每个环节的实测温差超过其理论预期值20％以上时，则认为该环节温差异常，且超过比例越高对应越异常；反之，当每个环节的实测温差超过其理论预期值相当或低于理论预期值时，则认为该环节温差正常；

步骤6、结合各传热单元的实测温差大小、温差是否异常，逐一判断各传热单元是否为制约散热器散热性能的瓶颈。具体而言，在所有传热路径中对应的前述环节中，显然实测温差较大的环节对散热器整体性能的影响大、温差较小的环节影响较小甚至可以忽略；但需说明的是，温差较大未必是制约因素，因为温差大可能是理论上本该如此，比如对于风冷散热器，其进出口之间的温差一般较大，但这部分温差仅取决于散热量与风量，而与散热器性能无关。所以，实测温差大且明显大于其理论预期值的环节，可认定是制约散热器整体性能的主要因素；实测温差大但又与其理论值基本相当的环节，可认为该环节对散热器性能影响较大，但在现有给定条件下也本应如此。

根据前述方法，就可以找到热管散热器的症结，进而明确优化改进的方向。比如，若散热器出风口的温度场分布极度不均匀，即有些位置的出风温度明显高于其他位置时，意味着温度高较低位置的气流换热并不充分，相应地会造成散热器局部高温并影响散热器整体温升，此时需要改进风道结构。

如果基板与热管接触处两侧的温差较大且明显超过合理数值时，意味着基板热管接触热阻很大，是制约散热器散热性能的主要因素，此时就需要分析和查找造成接触热阻较大的原因(比如基板与热管的接口匹配、焊接工艺等)，进而提出针对性解决措施；如果热管与翅片接触处两侧的温差较大且明显超过合理数值时，意味着热管翅片接触热阻较大，其是制约散热器散热性能的主要因素，此时就需要分析和查找造成该接触热阻较大的原因(比如接口方式等)。当基板上温度场分布极度不均匀时，比如热源处温度远高于其他地方时，意味着基板横向均温性较差，此时需要增加改善横向均温的措施(比如增加热管数量或调整热管布局等)；否则，如果基板各处温度偏差较小，则意味着基板传热特性已经很好，则不需要再基板上考虑改进措施。当热管两端的温差较大或超过合理范围时，比如靠近基板的蒸发端温度远高于靠近翅片的冷凝端时，意味着热管理论上的等温性没有实现，此时需要增加改善横向均温的措施(比如增加热管数量或调整热管布局等)；否则，如果基板各处温度偏差较小，则意味着基板传热特性已经很好，则不需要再基板上考虑改进措施。

Claims (6)

1.一种大功率热管散热器散热瓶颈测定方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)根据已知给定大功率热管散热器的结构组成，将其分解为多个相对独立的传热单元；

(2)在散热器额定运行工况下，从各传热单元上选择代表性位置作为温度特征点，测量各特征点的温度分布数据；

(3)根据步骤(2)所得温度分布数据，计算各传热单元的实测温差；

(4)根据各传热单元的数学模型或经验数据，估算各传热单元在对应工况下的温差理论预期值；

(5)将各传热单元的实测温差与理论预期值对照，判断各传热单元为温差异常环节或者温差正常环节；

(6)结合各传热单元的实测温差大小、温差是否异常，判断各传热单元是否严重制约散热器散热性能或者已经足够优化，进而确定制约散热器性能的瓶颈。

2.根据权利要求1所述的大功率热管散热器散热瓶颈测定方法，其特征在于，步骤(1)中所述传热单元包括在不同位置的代表性子部件，以及不同子部件的接触面。

3.根据权利要求2所述的大功率热管散热器散热瓶颈测定方法，其特征在于，所述代表性子部件包括基板、热管、翅片等结构件。

4.根据权利要求2所述的大功率热管散热器散热瓶颈测定方法，其特征在于，所述接触面包括基板与热管的接触面，热管与翅片的接触面，以及散热器不同位置的子部件接触面。

5.根据权利要求1所述的大功率热管散热器散热瓶颈测定方法，其特征在于，步骤(5)中，判断各传热单元为温差异常环节或者温差正常环节的依据为：当某环节的实测温升与其理论预期值相符时，则判定该环节温升正常即该散热器此环节的传热或散热性能已达到其预期水平；否则判定该环节温升异常。

6.根据权利要求1所述的大功率热管散热器散热瓶颈测定方法，其特征在于，步骤(6)中，判断各传热单元是否为制约散热器散热性能瓶颈的依据为：

a、当某传热单元实测温差较大且温差异常时，可判定该环节是制约散热器性能的主要环节，可重点进行优化改进；

b、当某传热单元实测温差较小但温差异常时，则判定该环节仅会小幅影响散热器整体性能，可以优化但提升空间有限；

c、当某传热单元温差正常时，不论实测温差大小，则判定该环节散热性能已达到或接近该给定条件下的理论极限、优化空间不大，不需再优化。