基于熱管技術(shù)的礦井透地通信主機散熱結(jié)構(gòu)設(shè)計

王侃

(1.中煤科工集團重慶研究院有限公司，重慶　400039；2.瓦斯災(zāi)害監(jiān)控與應(yīng)急技術(shù)國家重點實驗室，重慶　400037)

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基于熱管技術(shù)的礦井透地通信主機散熱結(jié)構(gòu)設(shè)計

王侃1，2

(1.中煤科工集團重慶研究院有限公司，重慶400039；2.瓦斯災(zāi)害監(jiān)控與應(yīng)急技術(shù)國家重點實驗室，重慶400037)

為解決透地通信系統(tǒng)主機散熱問題，基于熱管技術(shù)設(shè)計了礦井透地通信主機散熱結(jié)構(gòu)，采用數(shù)值計算方法研究了熱管散熱結(jié)構(gòu)傳遞熱阻，結(jié)果表明，該散熱結(jié)構(gòu)能滿足主機散熱性能要求；采用數(shù)值仿真得到了熱管散熱結(jié)構(gòu)的溫度場云圖，結(jié)果與數(shù)值計算十分吻合。樣機溫度監(jiān)測試驗驗證了設(shè)計的正確性。

礦井透地通信；通信主機；隔爆；散熱；熱管技術(shù)；熱阻

網(wǎng)絡(luò)出版地址：http://www.cnki.net/kcms/detail/32.1627.TP.20160930.1008.011.html

0　引言

目前，煤礦開采已由地表淺部開采逐漸轉(zhuǎn)向深部開采階段，許多礦井開采深度甚至達上千米。一旦這些礦井井下發(fā)生安全事故，井下與地面之間的有線通信系統(tǒng)癱瘓，礦工就無法與地面聯(lián)系，地面救援人員也無法及時定位受困礦工具體位置，給營救工作帶來巨大障礙。礦井透地通信系統(tǒng)以分層大地為傳播介質(zhì)，采用超低頻無線電磁波穿透大地，實現(xiàn)井下與地面之間的無線通信[1]。系統(tǒng)通常由地面及井下部分組成，地面部分包括地面天線及地面收發(fā)主機；井下部分包括井下天線及井下收發(fā)主機。井下收發(fā)主機為實現(xiàn)通信傳播距離長的問題，通常設(shè)計為較大功率，大功率透地通信系統(tǒng)主機在防爆方式上無法做成本質(zhì)安全型，因此，往往做成隔爆型結(jié)構(gòu)，通過將大功率器件放在一個密閉的殼體內(nèi)，很好地解決了整體防爆問題，不過也帶來了另一個關(guān)鍵問題，即整機的散熱問題。散熱問題是井下透地通信系統(tǒng)主機能否正常工作的關(guān)鍵，一旦密閉殼體內(nèi)部溫度過高(超過功率器件自身允許范圍)，整機將無法工作。為解決透地通信系統(tǒng)主機散熱問題，筆者設(shè)計了基于熱管技術(shù)的礦井透地通信主機散熱結(jié)構(gòu)，采用數(shù)值計算方法研究了熱管散熱結(jié)構(gòu)傳遞熱阻，結(jié)果表明，該散熱結(jié)構(gòu)能滿足主機散熱性能要求。

1　透地通信主機散熱方案

傳統(tǒng)的散熱方式主要有水冷、風冷、油冷等[2],這幾種散熱方式應(yīng)用的場合各有不同。 礦井井下環(huán)境具有瓦斯?jié)舛雀摺⑾鄬穸却蟮奶攸c,傳統(tǒng)散熱方式都不適合用在礦井隔爆型透地通信主機中。隨著散熱技術(shù)的不斷發(fā)展，熱管已成為高效傳熱的散熱元件,它通過工作介質(zhì)吸收和釋放汽化潛熱來傳遞熱量[3],通常只有很小的熱阻,很大的熱量可以在小溫差下得到傳遞,通過這種獨特的傳熱方式實現(xiàn)異乎尋常的傳熱效果。應(yīng)利用熱管高效傳熱的理論,將熱管散熱技術(shù)應(yīng)用到礦井透地通信主機結(jié)構(gòu)上，不僅散熱效果遠遠好于實體散熱器,復(fù)雜性大大低于傳統(tǒng)散熱技術(shù),而且可靠性也大大高于傳統(tǒng)散熱技術(shù)。結(jié)合目前礦用隔爆交流變頻器結(jié)構(gòu)特點[4]，在隔爆型透地通信主機中采用了熱管自然冷卻散熱方案。其外觀結(jié)構(gòu)如圖1所示。

主機在井下避難硐室使用，設(shè)其環(huán)境溫度為25 ℃。 選用熱管工質(zhì)為水和紫銅，銅導(dǎo)熱系數(shù)λp=380 W/(m·K)。熱管參數(shù)：外徑d0=16 mm，蒸發(fā)段管壁內(nèi)徑di=15.22 mm，蒸發(fā)段芯子內(nèi)徑dv=13.28 mm，總長L=500 mm，蒸發(fā)段長Le=150 mm，絕熱段長La=60 mm，冷凝段長Lc=290 mm。熱源芯片直接安裝在基板上，結(jié)合界面上涂覆導(dǎo)熱絕緣硅脂，熱管蒸發(fā)段直接嵌入基板內(nèi)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Q1=500 W，共16根熱管，使用矩形散熱筋片，共76片，散熱筋片長度L1=190 mm，寬度h1=180 mm，厚度δ1=0.8 mm，間距S1=8 mm。其散熱結(jié)構(gòu)如圖2所示。功率模塊 2功耗Q2=400 W，共34根熱管，使用矩形散熱筋片，共40片，尺寸為長度L2=430 mm，寬度h2=85 mm，厚度δ2=0.8 mm，間距S2=8 mm。其散熱結(jié)構(gòu)如圖3所示。功率模塊3功耗Q3=300 W，共15根熱管，使用矩形散熱筋片，共34片，尺寸為長度L3=380 mm，寬度h3=120 mm，厚度δ3=0.8 mm，間距S3=8 mm。其散熱結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖2 功率模塊1散熱結(jié)構(gòu)

圖3 功率模塊2散熱結(jié)構(gòu)

圖4　功率模塊3散熱結(jié)構(gòu)

2　熱管散熱結(jié)構(gòu)熱阻數(shù)值計算

由于篇幅限制，下面選取功率模塊1進行數(shù)值計算。整個功率模塊的熱阻等效電路如5所示。

Rjc-功率器件結(jié)點到管殼熱阻；Tj-芯片結(jié)溫；Rcs-管殼到基板熱阻;Rsa-基板到熱管熱阻；Rhp-熱管到環(huán)境空間熱阻; Ta-環(huán)境溫度

圖5功率模塊的熱阻等效電路

總熱阻為

(1)

基板到熱管蒸發(fā)段熱阻為

(2)

代入前面參數(shù)，可得Rsa=0.068 2 K/W。

(3)

式中：R1為蒸發(fā)段管壁熱阻；R2為蒸發(fā)段芯子熱阻；R3為熱管絕熱段熱阻；R4為冷凝段芯子熱阻；R5為冷凝段管壁熱阻；R6為冷凝段與環(huán)境之間熱阻。

(4)

代入前面參數(shù)可得R1=0.372 9×10-3K/W。

(5)

代入前面參數(shù)可得R2=0.045 5 K/W。

(6)

式中：Rg為氣體常數(shù)；Tv為蒸發(fā)段芯子溫度；ΔPve為蒸發(fā)段和冷凝段的蒸氣壓力差；φrs為壓力差常數(shù)；Pv為冷凝段壓強。

由于在絕熱段蒸氣壓力損失小，通常忽略R3。

(7)

代入前面參數(shù)可得R4=0.023 5 K/W。

(8)

代入前面參數(shù)可得R5=0.192 9×10-3K/W。

(9)

式中：α為熱管外壁與周圍環(huán)境之間的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)；At為冷凝段的總面積，因冷凝段有筋片，故At=Ap+ηAf(Ap為基管表面積，Af為筋片表面積，η為筋片效率)。

對于空氣橫掠筋片管的情況，布里格斯(Briggs)和楊格(Young)關(guān)系式為

(10)

式中：Re為雷諾數(shù)；Pr為普朗特數(shù)；Sf為筋片間距，Sf=0.008 m；δf為筋片厚度，δf=0.000 8 m；l為筋片高度，l=0.19 m。

25 ℃時的空氣物理特性參數(shù)[5]見表1。

表1　25 ℃時的空氣物理特性參數(shù)

(11)

將表1中參數(shù)及式(11)代入式(10)，可得努賽爾系數(shù)Nu=14.068。

表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)為

(12)

筋片效率為0.96時，總面積At(16根熱管，76片筋片)為

At|m2=3.14×0.016×0.29×16+0.96×0.19×

0.18×2×76=5.224

(13)

將式(13)及式(12)代入式(9)，可得R6=0.008 2 K/W。

將式(4)—式(9)代入式(3)，得熱管到環(huán)境空間熱阻為

(14)

基板到熱管熱阻為Rsa=0.068 2 K/W，把底板作為恒溫元件，則熱管基板的溫度為

Td|℃=Ta+(Rsa+Rhp)Q1=25+0.080 7×500=65.35

(15)

功率模塊1、功率模塊2、功率模塊3均選用SBL3030PT芯片，Rjc=0.08 K/W，Rcs=0.009 K/W，代入式(1)，則總熱阻R=Rjc+Rcs+Rsa+Rhp=0.169 7 K/W。

故可得到芯片結(jié)溫溫度為

Tj|℃=(25+0.169 7×500)=109.85

該芯片允許的最大結(jié)溫為150 ℃，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(jié)構(gòu)熱仿真分析

前文對功率模塊1熱管散熱結(jié)構(gòu)等效熱阻進行了數(shù)值計算，得到了功率模塊1熱管底板溫度及芯片結(jié)溫。現(xiàn)再對功率模塊1熱管散熱結(jié)構(gòu)進行熱仿真分析，并與數(shù)值計算結(jié)果進行對比。采用六面體單元網(wǎng)格離散化熱管散熱結(jié)構(gòu)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500 W熱流量，定義空氣環(huán)境溫度為25 ℃，對流傳熱系數(shù)為15 W/(m·K)，對散熱片及熱管冷卻段施加自然對流邊界條件[6-7]。運算得到功率模塊1熱管散熱結(jié)構(gòu)溫度場分布云，如圖6所示，熱流密度分布云如圖7所示。

從圖6可知，功率模塊1熱管散熱結(jié)構(gòu)最大溫度在底板背面安裝熱源芯片區(qū)域，最高溫度達到67.52 ℃。靠近熱管蒸發(fā)段區(qū)域散熱片溫度較高，熱管冷卻段區(qū)域散熱片溫度分布均勻，幾乎與環(huán)境溫度接近，表明熱管起到了很好的散熱效果。前面數(shù)值計算結(jié)果為65.35 ℃，與數(shù)值仿真結(jié)果十分接近。從圖7可知，熱流密度最大的區(qū)域主要集中在熱管蒸發(fā)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。

圖6　功率模塊1熱管散熱結(jié)構(gòu)溫度場分布云

圖7　功率模塊1熱管散熱結(jié)構(gòu)熱流密度分布云

4　樣機散熱性能驗證

結(jié)合前面設(shè)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(xù)運行8 h以上，直到隔爆腔溫度穩(wěn)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(jiān)測功率模塊1上芯片熱源的溫度，前1 h每隔10 min測量1次溫度，1～3 h每間隔30 min測量1次溫度，3 h后，每隔1 h測量1次溫度，測量數(shù)據(jù)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1 h后溫度基本穩(wěn)定，其中基板溫度在67 ℃左右波動，芯片熱源溫度在105 ℃左右波動。樣機試驗結(jié)果與數(shù)字計算及仿真結(jié)果較為吻合。

表2　測量數(shù)據(jù)

5　結(jié)語

當煤礦發(fā)生突發(fā)事故，其他通信設(shè)備均被損壞時，礦井透地通信系統(tǒng)將發(fā)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(tǒng)均采用了較大功率，隔爆型礦井透地通信系統(tǒng)散熱問題是亟需解決的問題。本文設(shè)計的基于熱管技術(shù)的礦井透地通信主機散熱結(jié)構(gòu)較好地解決了這一問題，并對整個結(jié)構(gòu)熱阻進行了詳細數(shù)值計算，得出了采用該結(jié)構(gòu)的散熱器允許的功率模塊最大結(jié)溫，并對熱管散熱結(jié)構(gòu)進行了熱仿真分析。溫度場云圖與數(shù)值計算結(jié)果十分吻合，樣機溫度監(jiān)測試驗也驗證了設(shè)計的正確性，為類似散熱結(jié)構(gòu)設(shè)計提供了一定的參考。

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Design of heat dissipation structure of host computer of mine through-the-earth communication based on heat pipe technology

WANG Kan1,2

(1.CCTEG Chongqing Research Institute,Chongqing 400039,China; 2.State Key Laboratory of Gas Disaster Detecting,Preventing and Emergency Controlling,Chongqing 400037,China)

In order to solve heat dissipation problem of host computer of mine through-the-earth communication system,a heat dissipation structure of host computer of mine through-the-earth communication based on heat technology was designed.Transfer thermal resistance of dissipation structure of heat pipe was researched by numerical calculation method,and calculation result verified that the heat dissipation structure met requirement of heat dissipation performance of the host computer.Finally temperature field cloud of the dissipation structure of heat pipe was obtained by numerical simulation method,and the simulation result coincided with the numerical calculation result.Correctness of the design is verified by temperature monitoring test of a prototype.

mine through-the-earth communication；communication host computer; flameproof；heat dissipation；heat pipe technology；thermal resistance

1671-251X(2016)10-0048-04DOI:10.13272/j.issn.1671-251x.2016.10.011

王侃.基于熱管技術(shù)的礦井透地通信主機散熱結(jié)構(gòu)設(shè)計[J].工礦自動化，2016,42(10)：48-51.

2016-04-12；

2016-06-13；責任編輯：張強。

國家科技重大專項資助項目(2016ZX05045002-003)。

王侃(1983-)，男，四川巴中人，助理研究員，現(xiàn)主要從事煤礦安全儀器儀表結(jié)構(gòu)研發(fā)工作，E-mail:wangkan83@126.com。

TD684

A網(wǎng)絡(luò)出版時間：2016-09-30 10:08