引言

   隨著電力電子技術(shù)的不斷發(fā)展，變流設(shè)備的體積趨于緊湊化，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)計人員極為關(guān)注的問題。這里針對風(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)計人員選擇經(jīng)濟(jì)合理的散熱方式提供參考依據(jù)。

1：各種傳熱方式的傳熱能力分析

  各種傳熱方式傳熱系數(shù)的大致范圍如表一所示。對空氣而言，自然風(fēng)冷時的傳熱系數(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，就是因為其蒸發(fā)段和冷凝段的傳熱過程都是相變傳熱。

表一

表一給出了根據(jù)散熱體積和熱阻選擇散熱方式的參考依據(jù)。例如對于熱阻要求為 0.01℃/W的散熱方式，如果體積限制1000in³（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 10in³，只能選擇水冷的散熱方式。

圖一

2.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?，進(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)雖然實施方便，成本較低，但其散熱能力有限。以祥博公司的XC9621 型材散熱器為例來說明普通風(fēng)冷結(jié)構(gòu)的散熱范圍。該風(fēng)冷散熱器代表了公司的最優(yōu)化的風(fēng)冷方式， 表面許可溫度為 70℃，模塊尺寸為 140X130mm，風(fēng)速為 6m/s。采用icepak 模擬表明，散熱能力為 5W/cm²。

  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，風(fēng)冷裝置的散熱極限約為 5w/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。

3.水冷

  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。目前水冷裝置的最大散熱能力還沒有得到研究。以下通過2種杭州祥博傳熱科技股份有限公司的水冷散熱器散熱性能來說明水冷的散熱能力。
  散熱器采用空心結(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)。對于冷板，使用者最為關(guān)心的是熱阻和流阻兩個參數(shù)。在設(shè)計過程中，設(shè)計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)計者的經(jīng)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。
  祥博傳熱6英寸晶閘管冷卻散熱器不僅代表了杭州祥博傳熱科技股份有限公司，也代表業(yè)內(nèi)最優(yōu)散熱器性能，測試結(jié)果見下表：

6 英寸晶閘管的臺面面積為 143cm3，環(huán)境溫度為 40 度，臺面溫度為70 度考量，散熱能力可達(dá)到 61.7W/Cm2。

SMH303 冷板代表了祥博典型的 IGBT 冷卻結(jié)構(gòu)

IGBT 接觸面積為 266cm2,環(huán)境溫度為40，臺面溫度為70度考量，分析可知散熱能力可達(dá)：24W/CM²

4.總結(jié)

  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，風(fēng)冷系統(tǒng)散熱極限約為 5w/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 個數(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。但目前不是主流散熱方式。
（3）散熱器的散熱能力評估受多因素制約，以上比較并不嚴(yán)謹(jǐn)， 因為其還受環(huán)境條件，元件大小，散熱器臺面溫度等多種因素的制約，具體條件還需具體分析。