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大功率整流装置散热解决方案之有效途径 -环路并行式热管散热器 张馨元（鞍山欧博达热管设备制造有限公司） 一、引言 随着大功率半导体技术的快速发展,电子器件及设备向着高性能、 大功率、小型化发展，相关产品集成度越来越高的同时，其功耗也越 来越大，开发小而轻、散热能力强、在有限的空间内，有效、低成本 地解决大功率整流装置的散热问题，即成为各整流设备制造和散热装 置生产厂所共同亟待解决的攻关课题。环路并行式热管散热器亦正是 伴随着这一迫切需求应运而生，它充分利用环路并行式热管所特有的 气液两相流体回路这一高效传热特征，有效地符合了小体积、大散热， 高效率、低成本的需求特征。 二、环路并行式热管散热器的基本原理 环路并行式热管从本质上来说是一个具备两相流体回路的高效 传热装置，它由蒸发器、补偿器、冷凝器组成，通过汽液传输管路连 接成回路，利用毛细芯提供的压力循环进行介质从热源到热沉的相变 传热过程。环路并行式热管具有气液管路分离、蒸发器和补偿器一体 化的结构特点，从而决定了其具备气液携带阻力小、启动快速灵活、 可以多方位长距离快速传输热量的传热特点。自上世纪九十年代俄罗 斯、美国就已将该技术做为航空航天热控制系统的首选传热元件，同 时在地面电子设备的冷却系统中正发挥着越来越重要的作用。 环路并行式热管是由两个以上直管段和 U 形弯头连接起来的一 种热管形式 （如图一所示）。它具有两相流体回路，一侧加热另一侧 冷却，其液体通道和蒸汽通道分离，液体和蒸汽在环路管内部形成循 环，避免了汽液间的相互干扰，可以多个蒸发器和冷凝器并联运行， 且仅在蒸发器中设置毛细吸液芯，用以提供循环动力。而冷凝器内没 有毛细吸液芯，这样可以基本实现热量传递的单向性，具有热二极管 特性。 图一、环路并行式热管的基本形式 环路并行式热管的加热段和冷凝段布置灵活，在很小角度和大充 液率情况下能够产生自激循环来工作，同时传递工作液体的潜热和显 热，其内部工作液体的流动方式会随着热管角度及受热端位置的不同 而发生改变，进而实现内部工作的液体会在蒸发段形成动态的缺液补 偿作用。 这主要是蒸发器为系统的能量接收器及动力源，加载到蒸发器上 的热量通过蒸发器壳体首先传递到毛细吸液芯外表面，使得液体工质 受热蒸发，并在毛细吸液芯的毛细管中形成汽液分界的弯月面。由于 毛细力的作用，汽液界面上产生的蒸汽通过蒸汽通道流入蒸汽管路， 最后在冷凝器中冷凝成液体，热量通过冷凝器管壁传递到外部热沉。 在冷凝器中冷凝下来的液体工质在重力的作用下，通过液体管路回流 到工质储液器中，工质再次被毛细吸液芯从工质储液器中提升到蒸发 器界面处，于是再次在蒸发器内吸热、蒸发、流动，并不断把蒸发器 内的热量传递到远端的热沉 （如图二所示）。 图二、不同角度状态下内部汽液流动示意图 由于环路的存在，热管的布置灵活，可以有多个蒸发段和冷凝段， 0 0 0 而且可以在0 ~90 任意角度之间转动使用，克服了虹吸热管在0 角附 近使用传热恶化的现象，大大增加了其应用的可靠性、灵活性和适应 性。 三、环路并行式热管散热器的设计及应用 1、应用于双极型器件散热的环路热管原理型材热管散热器 环路热管原理型材热管散热器是在环路并行式热管原理基础上结 合铝型材散热器易于加工成形的特点设计而成，如图三所示。 图三、铝型材环路并行式热管散热器 该散热器的设计特点在于： ⑴直接在散热器本体内部形成环路并行式热管，取缔了常规 在基板内或基板上预埋铜质热管的方式，从而消除不必要 的接触热阻，传热能力大，散热效率高； ⑵在自然对流冷却状态下，其热阻为0.035 ℃/W； 而在风机辅助状态下，其热阻为0.015℃/W （柜门入口风速 ≤3m/s）； ⑶体积小，其基础尺寸为210*110*300~600 （mm） 或250*100*300~600 （mm）； ⑷其独特的散热翅片结构设计，避