以石蠟/奈米石墨片相變化材料提升IGBT熱管理

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彭雅琪(Ya-Chi Peng) 查詢紙本館藏

畢業系所

機械工程學系

論文名稱

以石蠟/奈米石墨片相變化材料提升IGBT熱管理
(Paraffin / graphite nanoplatelet composite phase change material for the enhancement of IGBT thermal management)

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摘要(中)

本論文探討converter中絕緣閘雙極電晶體(Insulated Gate Bipolar Transistor, IGBT)的熱管理，因為IGBT長期處於高電壓工作環境，高溫使其壽命減短影響Converter系統運作。相變化材料(Phase Change Material, PCM)是一種當進行相轉變時會吸收/釋放大量熱能的材料，將它用於散熱有很大的幫助，本論文針對不同濃度石蠟/奈米石墨片來探討其熱物理性質，利用DSC研究PCM複合材料的潛熱值與熔點，SEM照片看出奈米石墨片在石蠟中的分布情況，固定功率實驗可以看出PCM複合材料的加熱性質，而熔滴點實驗可以測得PCM複合材料的形狀穩定性，最後將裝有PCM複合材料的鰭片裝至15kW converter運作，實驗結果有添加奈米石墨片的鰭片溫度較低。
本論文另外設計不同數量散熱鰭片，並用模擬軟體COMSOL進行模擬，與實驗測量溫度比較，進行熱管理分析。

摘要(英)

This study reports the development and the thermal investigation of the performance of straight finned heat sink filled with paraffin / graphite nanoplatelets (GNPs) composite phase change material (PCM) for thermal management of insulated gate bipolar transistors (IGBT). The heat sink made of aluminum has a cavity where the composite PCM is stored. GNPs acts as an effective media of thermal conductivity enhancement (TCE), primarily aims to increase the thermal conductivity of paraffin. Differential scanning calorimeter (DSC) tests was done to investigate thermal properties which include melting and solidification temperatures and latent heats.

關鍵字(中)

★ 電流轉換器
★ IGBT
★ 相變化材料
★ 散熱鰭片

關鍵字(英)

★ Converter
★ IGBT
★ Phase change material
★ Heat sink

論文目次

目錄
摘要 i
Abstract ii
致謝 iii
目錄 iv
第一章緒論 1
1-1前言 1
1-2研究動機與目的 2
1-3論文架構 2
第二章文獻回顧 4
2-1相變化材料(Phase change material, PCM) 4
2-2石蠟(Paraffin) 4
2-3絕緣閘雙極電晶體(Insulated Gate Bipolar Transistor) 5
第三章實驗方法 7
3-1 實驗流程 7
3-2 實驗材料與設備 9
3-2-1 實驗材料 9
3-2-2 實驗設備 9
3-3 相變化材料運用於散熱鰭片 12
3-3-1 設計散熱鰭片腔體 12
3-3-2 奈米石墨片/石蠟相變材之複合材料製備 14
3-3-3 相變化材料特性分析 14
3-4 改變散熱片數量 16
3-4-1 設計不同片數之散熱鰭片 16
3-4-2 溫度模擬(COMSOL)流程與架構 16
3-5 15kw Converter放電實驗 19
第四章實驗結果與討論 23
4-1 相變化複合材料對於改善運轉溫度之研究 23
4-1-1 DSC測量結果 23
4-1-2 電子顯微鏡分析 25
4-1-3 固定功率加熱實驗 26
4-1-4 熔滴點實驗 27
4-1-5 15kW Converter放電實驗測量結果 28
4-2 研究散熱片數量對15kW Converter運轉溫度之影響 30
第五章結論與建議 37
5-1 結論 37
5-2 建議 38
參考文獻 39

圖目錄
圖2-1. IGBT結構圖[15] 6
圖3-1. 實驗流程圖 8
圖3-2. 奈米石墨片 9
圖3-3. 15kW converter 10
圖3-4. 27片散熱鰭片 11
圖3-5. IGBT (MITSUBISHI, CM100DY-24A) [16] 11
圖3-6. 十點式溫度記錄器 11
圖3-7. BB-1000散熱膏 11
圖3-8. 散熱鰭片原始尺寸圖 (單位：mm) 12
圖3-9. 散熱鰭片頂部腔體尺寸圖 (單位：mm) 13
圖3-10. 鰭片與複合材料之爆炸視圖 14
圖3-11. 鰭片腔體實際圖 14
圖3-12. 由左至右為純石蠟、sample1以及sample2之圓塊 14
圖3-13. 相變材固定功率加熱實驗裝置圖 15
圖3-14. 熔滴點實驗示意圖 16
圖3-15. 由左至右為27、22、17以及14片鰭片之前視圖 16
圖3-16. converter系統之IGBT模型材料位置圖 17
圖3-17. 流場大小與風扇出入口位置圖 18
圖3-18. 此為15kW converter之轉換效率圖 18
圖3-19. (a)17片散熱鰭片之網格模型圖(b)四組鰭片不同位置的網格數 19
圖3-20. 散熱鰭片拆裝圖 20
圖3-21. 熱電偶黏貼(a)示意圖 (b,c)實際位置圖 21
圖4-1. 不同比例PCM複合材料的DSC融化曲線 24
圖4-2. 不同比例PCM複合材料的DSC凝固曲線 24
圖4-3. 奈米石墨片的SEM圖 [18] 25
圖4-4. (a)純石蠟 (b-d) sample1 (e-g) sample2 的SEM圖 26
圖4-5. PCM複合材料加熱20W實驗結果 27
圖4-7. 複合相變化材料添加於鰭片之實際量測溫度圖 30
圖4-8. 四組散熱鰭片之COMSOL速度模擬 31
圖4-9. Converter系統之(a)14片(b)17片(c)22片(d)27片散熱鰭片溫度分布圖 32
圖4-10. (a)27片(b)22片(c)17片(d)14片散熱鰭片之IGBT 1-3底部(T4-T6)溫度-時間關係圖 34
圖4-11. 四組鰭片時間-溫度圖(a)位置T1-T3 (b)位置T4-T6 35
圖4-12. 四組散熱鰭片T6時間-溫度圖 35
圖4-13. 四組散熱片之(a)COMSOL模擬溫度-時間圖(b)實驗測量溫度-時間 36

表目錄
表1不同比例PCM複合材料的DSC結果 25
表2 PCM複合材料的熔滴點測試結果 28

參考文獻

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https://zh.wikipedia.org/wiki/%E7%9F%B3%E8%9C%A1
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https://commons.wikimedia.org/wiki/File:IGBT_Cross_Section.jpg
[16] MITSUBISHI IGBT MODULES CM100DY-24, 三菱電機
[17] M. Mehrali, S.T. Latibari, etl, “ Shape-stabilized phase change materials with high thermal conductivity based on paraffin/graphene oxide composite.“ Energy Conversion and Management, Volume 67, pp. 275–282, 2013.
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[19] J.N. Shi, M.D. Ger, etl, “ Improving the thermal conductivity and shape-stabilization of phase change materials using nanographite additives.“ Carbon, Volume 51, pp. 365-372, 2013.
[20] M. Mehrali, S.T. Latibari, etl, “ Preparation and characterization of palmitic acid/graphene nanoplatelets composite with remarkable thermal conductivity as a novel shape-stabilized phase change material.“ Applied Thermal Engineering, Volume 61, pp. 633-640, 2013.

指導教授

李雄(Shyong Lee)

審核日期

2016-7-6

推文