小尺度沟槽表面与近距离平面构成通道的传热特性研究

摘要

IGBT(绝缘栅双极晶体管)被广泛应用于电力传动系统、电源、变频器等装置中,并是实现其功能的关键元件。IGBT工作时,其开关会处于高频的导通和关断状态,大量的电能将被转化成热能。因此,如何保证IGBT内部结点温度不超过其正常工作时所允许的最大温度显得尤为重要。当热流密度大于100 W/cm2时,传统的冷却技术已经满足不了要求。为此,论文提出一种小尺度沟槽表面通道。该通道由两块带有沟槽结构粗糙表面的基板和一块平表面芯板组成,芯板被夹在两块基板中间组成夹层型结构以节省空间,芯板两侧为平表面,并分别与基板粗糙表面组成小尺寸流体通道。在两块基板外表面均可安装IGBT单元以同时对两个IGBT单元进行冷却。为了获得小尺度沟槽表面通道的传热特性,采用实验与数值分析相结合的方法对小尺寸沟槽表面通道的换热特性进行研究。
　　研究内容包括:实验试件、实验系统的设计及施工;实验获得小尺度沟槽表面及平滑表面通道的传热特性;建立传热性能评价指标,评价小尺寸沟槽表面通道传热性能;采用SIMPLE数值方法,对沟槽表面通道内的流动与对流换热特性进行了分析。
　　研究结果表明:沟槽表面可显著强化传热,在相同质量流量、相同泵功率、相同压力损失三种比较准则下,新型沟槽表面通道散热器所传出的热量与平表面通道散热器传热量之比均大于1.0;计算结果与实验结果吻合良好,实验的准确性及数值方法的可行性得到相互印证;通过与现有常规微槽道通道结构进行对比表明,对较大面需冷却的结构,小尺度沟槽表面通道结构在消耗单位泵功率前提下可有效提高换热效率。

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1 绪 论

1.1 论文研究背景、目的、意义

1.2 国内外的发展和研究现状

1.3研究内容、拟解决的关键问题

1.4本章小结

2 IGBT及其冷却

2.1 IGBT的结构及工作原理

2.2 IGBT在CRH系列动车组的应用

2.3 IGBT的冷却方式

2.4 IGBT液体冷却通道结构设计

2.5 本章小结

3 IGBT液体冷却实验系统

3.1 IGBT液体冷却实验设计

3.2 实验系统图

3.3 平表面通道对比实验研究

3.4 本章小结

4 实验方法与实验步骤

4.1 实验步骤

4.2 实验数据处理方法

4.3 实验误差分析

4.4 本章小结

5 实验结果与讨论

5.1 实验结果及分析

5.2与平表面通道对比讨论

5.3与常规微槽道结构散热器对比讨论

5.3本章小结

6 数值分析过程

6.1 数学描述及边界条件

6.2 区域离散化

6.3 控制方程离散化

6.4 初始和边界条件离散化

6.5 求解代数方程

6.6 本章小结

7 数值计算结果分析

7.1 计算结果与实验结果对比

7.2 角形沟槽结构对流动和传热的影响研究

7.3 本章小结

8 结论与展望

8.1 实验结论

8.2 本课题的展望

致谢

参 考 文 献

附录 符号表

攻读学位期间的研究成果