電力電子設(shè)備常用散熱方式的散熱能力分析

1 引言
隨著電子組裝技術(shù)的不斷發(fā)展，電子設(shè)備的體積趨于微型化，系統(tǒng)趨于復(fù)雜化，高熱密度成了一股不可抗拒的發(fā)展趨勢。為了適應(yīng)高熱密度的需求，風(fēng)扇、散熱器等傳統(tǒng)的散熱手段不斷推陳出新，新穎高效的散熱方法層出不窮。在眾多散熱方式面前，區(qū)分各種散熱方式的散熱能力，從而選擇既經(jīng)濟(jì)又可靠的散熱方法成為設(shè)計(jì)人員極為關(guān)注的問題。本文針對風(fēng)冷和水冷兩種常用的散熱方式，綜合國內(nèi)外文獻(xiàn)中對這兩種散熱方式的研究結(jié)果，總結(jié)出這兩種散熱方式的散熱能力，為熱設(shè)計(jì)人員選擇經(jīng)濟(jì)合理的散熱方式提供參考依據(jù)。
2 各種傳熱方式的傳熱能力分析
各種傳熱方式傳熱系數(shù)的大致范圍如附表所示[1]。對空氣而言，自然風(fēng)冷時(shí)的傳熱系數(shù)是很低的，最大為10w/（m2k），如果散熱器表面與空氣的溫差為50℃，每平方厘米散熱面積上空氣帶走的熱量最多為0.05w。傳熱能力最強(qiáng)的傳熱方式是具有相變的換熱過程，水的相變過程換熱系數(shù)的量級為103～104。熱管的傳熱能力之所以很大，就是因?yàn)槠湔舭l(fā)段和冷凝段的傳熱過程都是相變傳熱。

文獻(xiàn)[2]給出了根據(jù)散熱體積和熱阻選擇散熱方式的參考依據(jù)，如圖1所示。例如對于熱阻要求為0.01℃/w的散熱方式，如果體積限制在1000 in3（1in3=16.4cm3），可以選擇風(fēng)冷散熱方式，但必須配備高效的風(fēng)冷散熱器；而如果體積限制在10 in3，只能選擇水冷的散熱方式。

3 風(fēng)冷
風(fēng)冷散熱方式成本低，可靠性高，但由于散熱能力小，只適用于散熱功率小而散熱空間大的情況下。目前風(fēng)冷散熱器的研究熱點(diǎn)是將熱管與散熱器翅片集成在一起，利用熱管的高傳熱能力，將熱量均勻地傳輸?shù)匠崞砻妫岣叱崞砻鏈囟鹊木鶆蛐裕M(jìn)而提高其散熱效率。
空氣強(qiáng)制對流冷卻方式是目前電力電子元件常用的散熱方式，其普通結(jié)構(gòu)是散熱器加風(fēng)扇的形式。該結(jié)構(gòu)雖然實(shí)施方便，成本較低，但其散熱能力有限。以intel pentium 4 cpu（2.2ghz）的冷卻為例來說明普通風(fēng)冷結(jié)構(gòu)的散熱范圍。該cpu發(fā)熱量約為55w，表面許可溫度為70℃，芯片尺寸為12×12.5×1.5mm，熱擴(kuò)散銅板尺寸為31×31mm [3]。散熱器加風(fēng)扇的限制安裝空間為80×60×50mm。manish saini對該種情況下普通風(fēng)冷結(jié)構(gòu)的最大散熱量做了實(shí)驗(yàn)研究[4]。采用icepak模擬表明，31×31mm熱擴(kuò)散銅板的熱阻和16×16mm的銅板均勻加熱時(shí)的熱阻相等。實(shí)驗(yàn)方法是以一塊面積為16×16mm、均勻加熱的銅板為熱源，采用普通散熱結(jié)構(gòu)。研究結(jié)果表明，當(dāng)cpu的表面溫度為70℃，周圍空氣溫度為35℃，在80×60×50mm的散熱空間內(nèi)，風(fēng)扇采用頂吹形式時(shí)最大散熱量為89.4w，采用側(cè)吹形式時(shí)最大散熱量為78.2w。根據(jù)該實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析，風(fēng)扇頂吹時(shí)的熱源的最大熱流密度為34.9w/cm2，側(cè)吹時(shí)熱源的最大熱流密度為30.5w/cm2。
為了使風(fēng)冷系統(tǒng)適應(yīng)高熱密度散熱的新要求，熱設(shè)計(jì)人員通過改變電子元器件的封裝技術(shù)和形式、設(shè)計(jì)新型的風(fēng)冷裝置使風(fēng)冷系統(tǒng)具有更廣闊的適用范圍。在改變封裝形式方面，采用基片在上的倒封裝技術(shù)制造的倒裝芯片（flip chip）、直接利用印制電路板做基體的球柵列陣（bga）等手段都提高了封裝模塊的散熱性能。在新型風(fēng)冷裝置的設(shè)計(jì)上，ralph l.webb，shinnobu yamauchi[5]等人為電腦的cpu設(shè)計(jì)了一種名為風(fēng)冷熱虹器的散熱裝置（air-cooled thermosyphon），其結(jié)構(gòu)如圖2所示。該裝置由熱虹吸器和散熱片組成，熱虹吸器的管殼材料為鋁，工質(zhì)為r134a，散熱片的迎風(fēng)面積為75×90mm （16mm寬）。實(shí)驗(yàn)方法仍是對一塊16×16mm的銅板均勻加熱，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，cpu表面溫度在許可范圍內(nèi)時(shí)，銅板最大加熱密度為39w/cm2，即采用該裝置能從cpu上帶走100w的熱量，這是目前報(bào)道的散熱能力最大的風(fēng)冷裝置。該裝置的缺陷是安裝方位只能取豎直方向，因?yàn)闊岷缥鲀?nèi)沒有芯體，液體只能依靠重力回到加熱表面。

綜合以上分析，如果以散熱器底面熱源的均勻熱流作為風(fēng)冷裝置散熱能力的標(biāo)準(zhǔn)，當(dāng)受到散熱空間的限制時(shí)，風(fēng)冷裝置的散熱極限約為40w/cm2，如果不受散熱空間的限制，提高風(fēng)扇風(fēng)量和增大散熱器面積會使風(fēng)冷系統(tǒng)的散熱能力更高一些。設(shè)計(jì)人員可根據(jù)散熱密度和散熱空間的大小來選擇合理的風(fēng)冷裝置。

4 水冷及其它散熱系統(tǒng)
雖然風(fēng)冷技術(shù)不斷提高，但風(fēng)冷本身受到散熱能力的限制，隨著熱流密度不斷提高，具有更大散熱能力的水冷裝置的應(yīng)用將大行其道。根據(jù)附表，氣體強(qiáng)制對流換熱系數(shù)的大致范圍為20～100w/（m2℃），水強(qiáng)制對流的換熱系數(shù)高達(dá)15000w/（m2℃），是氣體強(qiáng)制對流換熱系數(shù)的百倍以上，水沸騰換熱系數(shù)更高，可以達(dá)到25000w/（m2℃）。目前水冷裝置的最大散熱能力還沒有得到研究。以下通過幾種冷卻裝置的散熱性能來說明水冷系統(tǒng)的散熱能力。
現(xiàn)在對印刷電路板或者混和電路基片進(jìn)行冷卻的一種常用方式是將它們連接到采用空氣或者液體冷卻的冷板上[6]。冷板采用空心結(jié)構(gòu)，通常內(nèi)部為蜂窩狀或者回旋狀的結(jié)構(gòu)形式。工質(zhì)通常是水。冷卻水通過強(qiáng)制對流冷卻的方式將熱量帶走。水在管路內(nèi)的流動根據(jù)雷諾數(shù)（re）的大小可分為層流、過渡流、紊流三種流態(tài)。文獻(xiàn)[7]中給出了不同流態(tài)下努塞特?cái)?shù)的經(jīng)驗(yàn)公式，可作為計(jì)算冷板散熱量的依據(jù)。對于冷板，使用者最為關(guān)心的是熱阻和流阻兩個(gè)參數(shù)。在設(shè)計(jì)過程中，設(shè)計(jì)者希望得到冷板熱阻和流阻的關(guān)系，即在一定的熱阻要求下，流阻越低越好，這二者之間的關(guān)系一方面通過設(shè)計(jì)者的經(jīng)驗(yàn)得到，另一方面，還需要通過理論分析，目前，這方面的理論研究還不充分。
比強(qiáng)制對流冷卻具有更大換熱能力的是沸騰換熱。目前人們已設(shè)計(jì)了多種冷卻裝置通過液體的沸騰換熱來冷卻高熱流密度的芯片。heffington等人設(shè)計(jì)了一種由振動產(chǎn)生霧化液滴冷卻加熱表面的裝置（vibration-induced droplet atmozation,vida）。裝置結(jié)構(gòu)如圖3所示。該裝置是一個(gè)四周裝有散熱片的封閉腔，腔直徑為50mm，厚度為20mm。腔內(nèi)底部裝有壓電致動器和少許液體（水或fc－72）。致動器振動產(chǎn)生霧狀液滴，液滴飛濺到加熱表面，在加熱表面形成持續(xù)的液膜，同時(shí)液膜汽化帶走熱量。腔內(nèi)的蒸汽被腔體外表面的散熱器冷卻形成液體，在重力作用下回到腔內(nèi)底部。heffington等人實(shí)驗(yàn)研究的結(jié)果表明，如果腔體外表面采用風(fēng)冷散熱，加熱表面溫度為100℃時(shí)，該裝置的最大散熱能力為100w/cm2，如果采用水冷散熱，其散熱能力可達(dá)到200w/cm2。

上世紀(jì)80年代中期，美國學(xué)者tucherman和pease報(bào)道了一種如圖4所示的微通道結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)由高導(dǎo)熱系數(shù)的材料（例如硅）構(gòu)成。通道寬（wc）和通道壁厚（ws）均為50μm，通道高寬比（b/wc）約為10。在底面（w×l）加上的熱量q經(jīng)過微通道壁傳導(dǎo)至通道內(nèi)，然后被強(qiáng)制對流的流體帶走。由于微通道尺寸微小，通道內(nèi)的傳熱規(guī)律與大尺度槽道完全不同。他們的實(shí)驗(yàn)表明當(dāng)水的流量為10cm3/s，水的溫升為71℃時(shí)，冷卻熱流高達(dá)790w/cm2。是目前散熱能力最大的水冷裝置。

微通道的出現(xiàn)適應(yīng)了不斷增高的微電子芯片熱流密度的冷卻需要，無疑它在其它領(lǐng)域作為高效緊湊的換熱器或冷卻裝置也擁有廣闊的應(yīng)用前景。
綜合以上水冷裝置的介紹分析，可知其散熱能力比風(fēng)冷裝置高出1～2個(gè)數(shù)量級，而且其散熱能力還沒有被充分挖掘，隨著熱流密度的不斷高漲，其應(yīng)用將會越來越廣泛。

5 結(jié)束語
本文綜合國內(nèi)外文獻(xiàn)中對風(fēng)冷和水冷兩種常見散熱方式的研究結(jié)果，總結(jié)出這兩種散熱方式的散熱能力和適用范圍，為熱設(shè)計(jì)人員選擇經(jīng)濟(jì)合理的散熱方式提供參考依據(jù)。
（1）受到散熱空間限制時(shí)，風(fēng)冷系統(tǒng)散熱極限約為40w/cm2。如果不受散熱空間的限制，提高風(fēng)扇風(fēng)量和增大散熱器面積會使風(fēng)冷系統(tǒng)的散熱能力更高一些。
（2）水冷系統(tǒng)的散熱能力比風(fēng)冷系統(tǒng)高出1～2個(gè)數(shù)量級，其散熱潛力還未得到充分挖掘，目前水在微通道內(nèi)強(qiáng)制對流的冷卻方式是水冷系統(tǒng)中具有最大散熱能力的方式，其散熱能力可達(dá)790w/cm2。

參考文獻(xiàn)
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[7] jerry sergent, al krum．thermal management handbook. 1998