基于热管技术的矿井透地通信主机散热结构设计

　　工矿自动化王侃。基于热管技术的矿井透地通信主机散热结构设计。工矿自动化，2016，42（10）：48-基于热管技术的矿井透地通信主机散热结构设计王侃12（1.中煤科工集团重庆研究院有限公司，重庆400039；2.瓦斯灾害监控与应急技术国家重点。

　　隔爆型透地通信主机外观结构主机在井下避难硐室使用，设其环境温度为25°C.选用热管工质为水和紫铜，铜导热系数Ap K）。热管参数：外径‘段管壁内径4=15.22mm，蒸发段芯子内径绝热段长La=60mm，冷凝段长Le=290mm.热源芯片直接安装在基板上，结合界面上涂覆导热绝缘硅脂，热管蒸发段直接嵌入基板内部并与热源芯片靠近。基板采用紫铜材料，同时加工形成法兰隔爆面与主机箱体连接。功率模块1功耗Q：=500W，共16根热管，使用矩形散热筋片，共76片，散热筋片长度L：= 180mm，厚度次= 0.8mm，间距5：=8mm.其散热结构如所示。

　　功率模块2功耗Q2=400W，共34根热管，使用矩形散热筋片，共40片，尺寸为长度L2=430mm，宽度Zi2热结构如所示。功率模块3功耗3=300W，共15根热管，使用矩形散热筋片，共34片，尺寸为长度L3 =8mm.其散热结构如所示。

　　功率模块1散热结构功率模块2散热结构功率模块3散热结构2热管散热结构热阻数值计算由于篇幅限制，下面选取功率模块1进行数值计算。整个功率模块的热阻等效电路如5所示。

　　尺￡一功率器件结点到管壳热阻；乃一芯片结温一管壳到基板热阻一基板到热管热阻；―热管到环境空间热阻；乃一环境温度功率模块的热阻等效电路总热阻为基板到热管蒸发段热阻为沁为冷凝段管壁热阻；i6为冷凝段与环境之间热阻。

　　代入前面参数可得Ri二0.372代入前面参数可得R4二0.0235K/WC表1 25C时的空气物理特性参数项目导热系数/（Wm-1―3）普朗特数符号数值将表1中参数及式（11）代入式（10），可得努赛尔系数Nu 96时，总面积At（16根热管，76片筋片）为将式（4）一式（9）代入式（3），得热管到环境空间热阻为作为恒温元件，则热管基板的温度为功率模块1、功率模块2、功率模块3均选用=（25+0.1697X500）=109.85该芯片允许的大结温为150C，基本上能满足工作要求。同样按照上述方法可以计算得到功率模块2、功率模块3也满足散热性能要求。

　　3热管散热结构热仿真分析前文对功率模块1热管散热结构等效热阻进行了数值计算，得到了功率模块1热管底板温度及芯片结温。现再对功率模块1热管散热结构进行热仿真分析，并与数值计算结果进行对比。采用六面体单元网格离散化热管散热结构三维模型，对热管与散热片、热管与底板之间定义为绑定接触。在底板正面施加500W热流量，定义空气环境温度为25C，对流传热系数为15W/（m K）对散热片及热管冷却段施加自然对流边界条件。运算得到功率模块1热管散热结构温度场分布云，如所示，热流密度分布云如所示。

　　从可知，功率模块1热管散热结构大温功率模块1热管散热结构温度场分布云功率模块1热管散热结构热流密度分布云度在底板背面安装热源芯片区域，高温度达到67.52°C.靠近热管蒸发段区域散热片温度较高，热管冷却段区域散热片温度分布均匀，几乎与环境温度接近，表明热管起到了很好的散热效果。前面数值计算结果为65.35C，与数值仿真结果十分接近。从可知，热流密度大的区域主要集中在热管蒸发段及与其接触的部位，热管冷却段附近散热片热流密度明显降低，表明热管在高热流密度散热中起到了极大的作用。

　　4样机散热性能验证结合前面设计，加工制造出隔爆型透地通信主机样机。按照实际工况将透地通信主机连续运行8h以上，直到隔爆腔温度稳定，在功率模块1热管散热器基板上加装热电偶测试其温度变化，同时监测功率模块1上芯片热源的温度，前1h每隔10min测量1次温度，13h每间隔30min测量1次温度，3h后，每隔1h测量1次温度，测量数据见表2.从表2可看出，基板与芯片热源温度变化趋势较为吻合，在透地通信主机正常运行1h后温度基本稳定，其中基板温度在67C左右波动，芯片热源温度在105C左右波动。样机试验结果与数字计算及仿真结果较为吻合。

　　表2测量数据测量时温度/C测量时间/min温度/C基板芯片热源基板芯片热源5结语当煤矿发生突发事故，其他通信设备均被损坏时，矿井透地通信系统将发挥重大的作用。目前，煤矿开采大多采用深部开采，透地通信穿透距离增大，故透地通信系统均采用了较大功率，隔爆型矿井透地通信系统散热问题是亟需解决的问题。本文设计的基于热管技术的矿井透地通信主机散热结构较好地解决了这问题，并对整个结构热阻进行了详细数值计算，得出了采用该结构的散热器允许的功率模块大结温，并对热管散热结构进行了热仿真分析。温度场云图与数值计算结果十分吻合，样机温度监测试验也验证了设计的正确性，为类似散热结构设计提供了定的。