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电力电子设备常用散热方式的散热能力分析

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导读: 空气强制对流冷却方式是目前电力电子元件常用的散热方式,其普通结构是散热器加风扇的形式。该结构虽然实施方便,成本较低,但其散热能力有限。

  随着电子组装技术的不断发展,电子设备的体积趋于微型化,系统趋于复杂化,高热密度成了一股不可抗拒的发展趋势。为了适应高热密度的需求,风扇、散热器等传统的散热手段不断推陈出新,新颖高效的散热方法层出不穷。在众多散热方式面前,区分各种散热方式的散热能力,从而选择既经济又可靠的散热方法成为设计人员极为关注的问题。本文针对风冷和水冷两种常用的散热方式,综合国内外文献中对这两种散热方式的研究结果,总结出这两种散热方式的散热能力,为热设计人员选择经济合理的散热方式提供参考依据。

2 各种传热方式的传热能力分析

  各种传热方式传热系数的大致范围如附表所示[1]。对空气而言,自然风冷时的传热系数是很低的,最大为10w/(m2k),如果散热器表面与空气的温差为50℃,每平方厘米散热面积上空气带走的热量最多为0.05w。传热能力最强的传热方式是具有相变的换热过程,水的相变过程换热系数的量级为103~104。热管的传热能力之所以很大,就是因为其蒸发段和冷凝段的传热过程都是相变传热。

  文献[2]给出了根据散热体积和热阻选择散热方式的参考依据,如图1所示。例如对于热阻要求为0.01℃/w的散热方式,如果体积限制在1000in3(1in3=16.4cm3),可以选择风冷散热方式,但必须配备高效的风冷散热器;而如果体积限制在10in3,只能选择水冷的散热方式。

3 风冷

  风冷散热方式成本低,可靠性高,但由于散热能力小,只适用于散热功率小而散热空间大的情况下。目前风冷散热器的研究热点是将热管与散热器翅片集成在一起,利用热管的高传热能力,将热量均匀地传输到翅片表面,提高翅片表面温度的均匀性,进而提高其散热效率。

  空气强制对流冷却方式是目前元件常用的散热方式,其普通结构是散热器加风扇的形式。该结构虽然实施方便,成本较低,但其散热能力有限。以intel pentium 4 cpu(2.2ghz)的冷却为例来说明普通风冷结构的散热范围。该cpu发热量约为55w,表面许可温度为70℃,芯片尺寸为12×12.5×1.5mm,热扩散铜板尺寸为31×31mm。散热器加风扇的限制安装空间为80×60×50mm。manish saini对该种情况下普通风冷结构的最大散热量做了实验研究[4]。采用icepak模拟表明,31×31mm热扩散铜板的热阻和16×16mm的铜板均匀加热时的热阻相等。实验方法是以一块面积为16×16mm、均匀加热的铜板为热源,采用普通散热结构。研究结果表明,当cpu的表面温度为70℃,周围空气温度为35℃,在80×60×50mm的散热空间内,风扇采用顶吹形式时最大散热量为89.4w,采用侧吹形式时最大散热量为78.2w。根据该实验数据分析,风扇顶吹时的热源的最大热流密度为34.9w/cm2,侧吹时热源的最大热流密度为30.5w/cm2。