转自洞见热管理
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背景介绍
用于能量转换和传输的绝缘栅双极性晶体管（IGBT）模块，在电动汽车、轨道交通、超高压输电等领域的核心系统中广泛应用。近年来，随着IGBT模块功率密度的不断提升，其单位体积的热量输出显著增加。高温会显著影响IGBT模块的服役安全性，因此对热管理的需求日益迫切。
传统的以强化对流和传导为主的主动式冷却技术，由于其高效的散热能力与广泛的适应性等优势，被广泛应用于IGBT模块的冷却。然而，与主动冷却系统附件相关的体积、重量和能耗的增加极大限制了其在集成式IGBT模块冷却中的应用。
被动冷却策略，如相变材料、热管散热器和辐射冷却等，质量更轻，消除了寄生消耗，成为IGBT模块热管理的有效方案。其中，辐射冷却技术作为一种被动散热方法，热量通过电磁波从发热表面散发到周围环境，而辐射热通量主要取决于表面发射率和温度，高发射率涂层对于紧凑空间高温环境的热管理非常重要。热管散热器（HPR）是另一种有效的被动热管理手段，具有传热效率高和可靠性强等优势。然而，热管散热器通常由铜、铝等金属材料组成，这些金属材料的本征发射率均较低，抑制了辐射传热。因此，将辐射冷却涂层与热管散热器结合，有望通过增强辐射传热来提升散热性能。
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成果掠影
近日，中国科学院理化技术研究所李永、杨辉联合香港理工大学许林立团队设计了一种面向大功率IGBT模块热管理的辐射增强型热管散热器（REHPR）。本研究设计的辐射增强型热管散热器通过高发射率涂层（ε = 0.93）显著提升了热管散热器的散热性能。在1 m/s的风速和1500 W的热负荷下，启动时间和启动温升分布降低了9%和15.5%，IGBT模块结温在自然对流120 W的加热功率和强制对流1500 W的加热功率下分别降低8.1℃和6.8℃，热阻最高下降12.5%。该研究为大功率电子设备中的局部散热问题提供了有效的解决方案，涂层的长效性还需在未来进一步研究，以推动其在更多领域的应用。未来，研究团队不仅会关注涂层的长效稳定性，还将探索如何进一步优化涂层材料组成，以及改进散热器结构设计，以实现更卓越的散热性能，为更多领域的热管理难题提供解决方案。研究成果以题为“Development and performance study of a radiation-enhanced heat pipe radiator for cooling high-power IGBT modules”发表在《Applied Thermal Engineering》期刊
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图文导读
图1.辐射冷却涂层强化传热机制。
图2. SM/GCP涂层与REHPR制备过程示意图。
图3.强制对流工况下HPR/REHPR性能评估的实验装置示意图。
图4 SM/GCP 涂层的辐射特性
图5 HPR与REHPR在不同风速下的启动特性
图6 HPR与REHPR在自然对流不同加热功率与强制对流不同风速下的最高温
图7 HPR与REHPR在加热功率80 W时的仿真模拟温度分布云图
图8 HPR与REHPR在自然对流不同加热功率与强制对流不同风速下的热阻
来源 ：
Applied Thermal Engineering
链接 ：
https://doi.org/10.1016/j.applthermaleng.2024.125307
