電子設(shè)備常用散熱方式的散熱能力分析

1、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(shì)。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(wèn)題。本文針對(duì)風(fēng)冷和水冷兩種常用的散熱方式，綜合國(guó) 內(nèi)外文獻(xiàn)中對(duì)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。對(duì)空氣

2、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50C，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(guò)程，水的相變過(guò)程換熱系數(shù)的量級(jí)為103104。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(guò)程都是相變傳熱。附表 各種傳熱方式的傳熱系數(shù)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(duì)于熱阻要求為0.01 r/w的散熱方式，如果體積限制在1000 in3 (1in3=16.4 cm3)，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 in

3、3,只能選擇水冷的散熱方式。圖1散熱體積與熱阻的大致關(guān)系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?的均勻性，進(jìn)而提高其散熱效率。空氣強(qiáng)制對(duì)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int el pentium 4 cpu (2.2ghz)的冷卻為例來(lái)說(shuō)明普通風(fēng)冷結(jié)構(gòu)的散熱范圍。該c pu發(fā)熱量約為55w,表面許可溫度為70C,芯片尺

4、寸為12X 12.5X 1.5mm,熱擴(kuò) 散銅板尺寸為31 X31mm。散熱器加風(fēng)扇的限制安裝空間為80X60X50mm。ma nish saini對(duì)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。采用ice pak模擬表明，31 X31mm熱擴(kuò)散銅板的熱阻和16X16mm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16X16mm、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70C,周?chē)諝鉁囟葹?5C, 在80X60X50mm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

5、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(guò)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 yamauchi5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

6、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 X 90mm (16mm寬)。實(shí)驗(yàn)方法仍是對(duì)一塊 16X16mm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 為熱虹吸器內(nèi)沒(méi)有芯體，液體只能依靠重力回到加熱表面。圖2風(fēng)冷熱虹吸器綜合以上分析，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

7、散 熱空間的限制，提高風(fēng)扇風(fēng)量和增大散熱器面積會(huì)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(lái)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(duì)流 換熱系數(shù)的大致范圍為20100w/(m2，C)，水強(qiáng)制對(duì)流的換熱系數(shù)高達(dá)15000w/(m 2C)，是氣體強(qiáng)制對(duì)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/(m2C)。目前水冷裝置的最大散熱能力還沒(méi)有得到研究。以下通過(guò)幾種冷 卻裝置的散熱性能來(lái)說(shuō)明水冷系統(tǒng)的散熱能力?，F(xiàn)在對(duì)印

8、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。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(guò)強(qiáng)制對(duì)流冷卻的方式將熱量帶走。 水在管路內(nèi)的流動(dòng)根據(jù)雷諾數(shù)（re）的大小可分為層流、過(guò)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(duì)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(guò)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(guò)設(shè)計(jì)者的經(jīng)驗(yàn)得到，另一方面，還需要通過(guò)理論分析， 目前，這方面的理論研究還不充分

9、。比強(qiáng)制對(duì)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(guò)液體的沸騰換熱來(lái)冷卻高熱流密度的芯片。heffington等人設(shè)計(jì)了一種 由振動(dòng)產(chǎn)生霧化液滴冷卻加熱表面的裝置（vibration-induced droplet atmoz ation,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(dòng)器和少許液體（水或fc- 72）。致動(dòng)器振動(dòng)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。heff

10、ington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100C時(shí)，該裝置的最大散熱能力為100 w/cm2，如果采用水冷散熱，其散熱能力可達(dá)到200w/cm2。PWBPiezoelectricdriverFinsSecondary dropletsPrimary dropletGlobal cooling system圖3霧化液滴的冷卻裝置8上世紀(jì)80年代中期，美國(guó)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（vc）和通道壁 厚（vs）均為50um,通道高寬比（b/vc）約為10。在底面（wXl）

11、加上的熱量 q經(jīng)過(guò)微通道壁傳導(dǎo)至通道內(nèi)，然后被強(qiáng)制對(duì)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1 0cm3/s,水的溫升為71 C時(shí)，冷卻熱流高達(dá)790w/cm2o是目前散熱能力最大的水 冷裝置。圖4微通道結(jié)構(gòu)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(wú)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12個(gè)數(shù)量級(jí)， 而且其散熱能力還沒(méi)有被充分挖掘，隨著熱流密度的不斷高漲，其應(yīng)用將會(huì)越來(lái) 越廣泛。5結(jié)束語(yǔ)本文綜合國(guó)內(nèi)外文獻(xiàn)中對(duì)風(fēng)冷和水冷兩種常見(jiàn)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