發布日期：2022-07-14 點擊率：75
1 引言
隨著電子組裝技術的不斷發展，電子設備的體積趨于微型化，系統趨于復雜化，高熱密度成了一股不可抗拒的發展趨勢。為了適應高熱密度的需求，風扇、散熱器等傳統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，區分各種散熱方式的散熱能力，從而選擇既經濟又可靠的散熱方法成為設計人員極為關注的問題。本文針對風冷和水冷兩種常用的散熱方式，綜合國內外文獻中對這兩種散熱方式的研究結果，總結出這兩種散熱方式的散熱能力，為熱設計人員選擇經濟合理的散熱方式提供參考依據。
2 各種傳熱方式的傳熱能力分析
各種傳熱方式傳熱系數的大致范圍如附表所示[1]。對空氣而言，自然風冷時的傳熱系數是很低的，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。傳熱能力最強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的量級為103～104。熱管的傳熱能力之所以很大，就是因為其蒸發段和冷凝段的傳熱過程都是相變傳熱。
文獻[2]給出了根據散熱體積和熱阻選擇散熱方式的參考依據，如圖1所示。例如對于熱阻要求為℃/w的散熱方式，如果體積限制在1000in3(1in3=)，可以選擇風冷散熱方式，但必須配備高效的風冷散熱器;而如果體積限制在10in3，只能選擇水冷的散熱方式。
3 風冷
風冷散熱方式成本低，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。目前風冷散熱器的研究熱點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，將熱量均勻地傳輸到翅片表面，提高翅片表面溫度的均勻性，進而提高其散熱效率。
空氣強制對流冷卻方式是目前電力電子元件常用的散熱方式，其普通結構是散熱器加風扇的形式。該結構雖然實施方便，成本較低，但其散熱能力有限。以intel pentium 4 cpu()的冷卻為例來說明普通風冷結構的散熱范圍。該cpu發熱量約為55w，表面許可溫度為70℃，芯片尺寸為12×12.5×，熱擴散銅板尺寸為31×31mm。散熱器加風扇的限制安裝空間為80×60×50mm。manish saini對該種情況下普通風冷結構的最大散熱量做了實驗研究[4]。采用icepak模擬表明，31×31mm熱擴散銅板的熱阻和16×16mm的銅板均勻加熱時的熱阻相等。實驗方法是以一塊面積為16×16mm、均勻加熱的銅板為熱源，采用普通散熱結構。研究結果表明，當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，風扇采用頂吹形式時最大散熱量為，采用側吹形式時最大散熱量為。根據該實驗數據分析，風扇頂吹時的熱源的最大熱流密度為，側吹時熱源的最大熱流密度為。
為了使風冷系統適應高熱密度散熱的新要求，熱設計人員通過改變電子元器件的封裝技術和形式、設計新型的風冷裝置使風冷系統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。在新型風冷裝置的設計上，ralph ，shinnobu yamauchi[5]等人為電腦的cpu設計了一種名為風冷熱虹器的散熱裝置(air-cooled thermosyphon)，其結構如圖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，工質為r134a，散熱片的迎風面積為75×90mm(16mm寬)。實驗方法仍是對一塊16×16mm的銅板均勻加熱，實驗結果表明，cpu表面溫度在許可范圍內時，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，這是目前報道的散熱能力最大的風冷裝置。該裝置的缺陷是安裝方位只能取豎直方向，因為熱虹吸器內沒有芯體，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冷裝置散熱能力的標準，當受到散熱空間的限制時，風冷裝置的散熱極限約為40w/cm2，如果不受散熱空間的限制，提高風扇風量和增大散熱器面積會使風冷系統的散熱能力更高一些。設計人員可根據散熱密度和散熱空間的大小來選擇合理的風冷裝置。
4 水冷及其它散熱系統
雖然風冷技術不斷提高，但風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用將大行其道。根據附表，氣體強制對流換熱系數的大致范圍為20～100w/(m2℃)，水強制對流的換熱系數高達15000w/(m2℃)，是氣體強制對流換熱系數的百倍以上，水沸騰換熱系數更高，可以達到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的散熱能力。
現在對印刷電路板或者混和電路基片進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]。冷板采用空心結構，通常內部為蜂窩狀或者回旋狀的結構形式。工質通常是水。冷卻水通過強制對流冷卻的方式將熱量帶走。水在管路內的流動根據雷諾數(re)的大小可分為層流、過渡流、紊流三種流態。文獻[7]中給出了不同流態下努塞特數的經驗公式，可作為計算冷板散熱量的依據。對于冷板，使用者最為關心的是熱阻和流阻兩個參數。在設計過程中，設計者希望得到冷板熱阻和流阻的關系，即在一定的熱阻要求下，流阻越低越好，這二者之間的關系一方面通過設計者的經驗得到，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。目前人們已設計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等人設計了一種由振動產生霧化液滴冷卻加熱表面的裝置(vibration-induced droplet atmozation，vida)。裝置結構如圖3所示。該裝置是一個四周裝有散熱片的封閉腔，腔直徑為50mm，厚度為20mm。腔內底部裝有壓電致動器和少許液體(水或fc-72)。致動器振動產生霧狀液滴，液滴飛濺到加熱表面，在加熱表面形成持續的液膜，同時液膜汽化帶走熱量。腔內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底部。heffington等人實驗研究的結果表明，如果腔體外表面采用風冷散熱，加熱表面溫度為100℃時，該裝置的最大散熱能力為100w/cm2，如果采用水冷散熱，其散熱能力可達到200w/cm2。
上世紀80年代中期，美國學者tucherman和pease報道了一種如圖4所示的微通道結構。該結構由高導熱系數的材料(例如硅)構成。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經過微通道壁傳導至通道內，然后被強制對流的流體帶走。由于微通道尺寸微小，通道內的傳熱規律與大尺度槽道完全不同。他們的實驗表明當水的流量為10cm3/s，水的溫升為71℃時，冷卻熱流高達790w/cm2。是目前散熱能力最大的水冷裝置。
微通道的出現適應了不斷增高的微電子芯片熱流密度的冷卻需要，無疑它在其它領域作為高效緊湊的換熱器或冷卻裝置也擁有廣闊的應用前景。
綜合以上水冷裝置的介紹分析，可知其散熱能力比風冷裝置高出1～2個數量級，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，其應用將會越來越廣泛。
5 結束語
本文綜合國內外文獻中對風冷和水冷兩種常見散熱方式的研究結果，總結出這兩種散熱方式的散熱能力和適用范圍，為熱設計人員選擇經濟合理的散熱方式提供參考依據。
(1)受到散熱空間限制時，風冷系統散熱極限約為40w/cm2。如果不受散熱空間的限制，提高風扇風量和增大散熱器面積會使風冷系統的散熱能力更高一些。
(2)水冷系統的散熱能力比風冷系統高出1～2個數量級，其散熱潛力還未得到充分挖掘，目前水在微通道內強制對流的冷卻方式是水冷系統中具有最大散熱能力的方式，其散熱能力可達790w/cm2。
參考文獻
[1] 楊世銘。 傳熱學[m]。 北京：高等教育出版社，1997.
[2] sukhvinder kang，cooling technologies for power electronics，report in xi’an jiaotong university， 2009.
[3] intel pentium 4 data sheet， table 37， p93，january 2002.
[4] manish saini， ralph .heat rejection limits of air cooled plane fin heat sinks for computer eighth intersociety conference on thermal and thermo-mechanical phenomena in electronic .
[5] ralph ， shinobu yamauchi， et heat sink concept for high power heat transactions on components and packaging technologies， volume： 25 issue： 4，dec 2002.
[6] 胡志勇。 當今電子設備冷卻技術的發展趨勢[j]。 電子機械工程，1999(2)。
[7] jerry sergent， al management handbook. 1998.
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