绝缘栅双极晶体管(IGBT)是一种由特定电路桥接的半导体模块。它是牵引变流器和电气控制中能量转换和传输的核心部件。目前，IGBT正迅速向集成化、小型化和高功率化发展。这使得模块封装体积缩小，热流增加，IGBT的表面温度升高。最近的实验表明，高温和显著的温度梯度引起的热应力可能是IGBT失效的原因，而高温失效是IGBT损坏的主要原因。因此，如何充分利用有限的空间，设计出冷却能力强、散热迅速、均匀的冷却系统，是保证IGBT高效可靠运行的关键。目前IGBT的冷却技术主要有空冷、液冷、热管冷却和相变沸腾冷却。前三者冷却能力不足，对高热流密度的温度控制响应缓慢，难以保证IGBT在安全恒温下运行。流动沸腾在沸腾过程中吸收了大量的汽化潜热，被认为是最有效的传热方法之一。为了进一步提高冷却散热器的传热性能，广泛采用了翅片、肋柱通道等扩大传热面积的方法。当工质潜热较低时，如FC-72，目前的研究主要集中在低热流上。然而，在高热流密度下，低潜热的工质容易形成膜态沸腾，阻碍传热。因此，对于尺寸确定的散热器通道，在保持其换热面积相同的情况下，如何设计肋柱直径使得换热器达到最佳性能还需研究。

针对这一科学问题，西安交通大学能动学院能质可控传递及应用研究团队（CEMTA）林梅研究员在前期对肋柱通道散热器中流动沸腾研究的基础上深入研究肋柱直径对交错排列肋柱散热器中流动沸腾传热及流动性能的影响。研究人员在保证换热面积相同、肋柱直径从1mm到10mm变化的情况下，设计了6种不同结构的通道散热器，采用Mixture多相流模型，从速度场和温度场两个方面对其传热及流动性能进行了分析。模拟研究的物理模型如图1所示，工作介质为制冷剂Novec649，质量通量为1527kg·m-2·s-1。通道加热壁面上热流密度范围为50到300 kW·m-2，并结合温度均匀性定义了综合传热性能因子来表征散热器综合传热性能，部分研究结果如图2所示。结果表明：随着肋柱直径的增加，平均传热系数增加，壁温降低。传热性能因子随着热流密度的减小而增大，随着肋柱直径的增大先减小，而后保持不变。结合温度均匀性定义的综合传热性能因子出现两个最大值，分别位于肋柱直径为5和10mm处，一个最小值位于7.14mm处。当肋柱直径为10mm时，散热器的综合传热性能最佳。这项工作为设计高热流密度下肋柱通道散热器提供了思路，同时为揭示肋柱通道中流动沸腾传热及流动机理提供了具有参考价值的探讨。

图1 研究模型示意图

图2 不同肋柱直径通道在不同热流密度下的综合传热因子图

该研究结果以“肋柱直径对错排肋柱散热器的流动沸腾传热的影响”(Effect of rib diameter on flow boiling heat transfer with staggered rib arrays in a heat sink) 为题，于2021年10月11日在国际权威期刊《能源》(Energy) 上在线发表。该工作以西安交通大学为第一作者单位，中国南方电网电力科学研究院高压直流国家重点实验室为协作单位，CEMTA研究团队硕士生齐迪为第一作者，林梅研究员为通讯作者，论文作者还包括王秋旺教授等。这一工作是CEMTA研究团队在《西安交通大学学报》、《能源》(Energy) 等期刊报道散热器截面形状对流动沸腾的传热影响研究之后，围绕高热流密度下，肋柱通道散热器的应用，在半导体电子器件冷却方面应用的重要拓展，对大功率电力电子设备的冷却元件结构设计提供了新思路。该工作得到国家自然科学基金和南方电网科技项目的资助。

论文链接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0360544221025718

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