用于電子器件散熱或冷卻的散熱器又被稱為熱沉,是電子器件散熱或冷卻的一個主要部件?一些電子器件,如電力電子器件IGBT?電腦CPU和大功率LED等,發(fā)熱功率高,熱流密度大,需要通過一定的方式將熱量傳遞給周圍環(huán)境,使電子器件的結(jié)溫控制在要求范圍內(nèi)?由于電子器件的發(fā)熱量?熱流密度和使用場合千差萬別,因此用于冷卻或散熱的散熱器的結(jié)構(gòu)也有多種形式?為提高散熱效果,節(jié)省散熱器材料,應(yīng)對散熱器結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化,而參數(shù)優(yōu)化則應(yīng)以散熱器流動與換熱的研究為基礎(chǔ)?此外,隨著電子器件發(fā)熱功率和熱流密度的不斷增加,以及新的散熱要求的不斷出現(xiàn),新型散熱器的研制也十分必要?本文介紹目前常用的幾種散熱器結(jié)構(gòu)形式,并探討散熱器在幾個研究方向上的一些進(jìn)展,供相關(guān)設(shè)計和技術(shù)人員參考?

1散熱器的常用結(jié)構(gòu)形式

散熱器的常用結(jié)構(gòu)形式有以下幾種?

1) 柱狀翅片散熱器?柱狀翅片散熱器(見圖1)的柱體截面可以是方形?圓形或橢圓形等;柱狀翅片的排列可以是順排,也可以是錯列?這種散熱器底部涂抹導(dǎo)熱硅脂后可直接放置于電子器件之上,通過自然對流或強制對流進(jìn)行散熱?

2) 矩形通道散熱器?散熱通道截面為矩形的空氣冷卻散熱器示意圖如圖2所示?研究顯示,肋片中間有截斷(見圖3)的散熱器,其散熱性能要優(yōu)于沒有截斷的散熱器?一些散熱器還可設(shè)計成肋高變化的形式,以改善散熱效果(見圖4)?

3) 鋸齒形翅片散熱器?這種散熱器(見圖5)結(jié)構(gòu)緊湊,而沿流動方向不斷錯位的流道起到了強化傳熱的作用?散熱器也常與熱管連接后一起使用,熱量通過熱管由電子器件傳遞至散熱器?

4) 液體冷卻散熱器?對一些發(fā)熱量大的電子器件,如IGBT等,液體冷卻是常用的冷卻方式?簡單液體冷卻散熱器示意圖如圖6所示,冷卻液(如水?乙二醇水溶液等)流經(jīng)散熱器流道,可帶走電子器件傳遞給散熱器的熱量?

對大功率LED陣列進(jìn)行散熱設(shè)計時,還常用到徑向式熱沉,又稱太陽花散熱器?這種散熱器的主要散熱方式也是對流,但輻射的影響也不可忽略?計算顯示,表面噴涂黑漆或進(jìn)行陽極氧化處理后,輻射換熱占總散熱量的比例可達(dá)20%,甚至更高?

2散熱器研究進(jìn)展

作為電子器件散熱系統(tǒng)的一個主要部件,散熱器的研究一直受到關(guān)注,主要包括散熱器流道內(nèi)流體流動與換熱?結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化和新型散熱器研制等?

2.1流體流動與換熱的研究

通過對散熱器流體流動與換熱研究,可以了解散熱器肋片的溫度分布?通道內(nèi)的流動情況以及流體與散熱器肋片表面的換熱情況,有助于進(jìn)行散熱器的結(jié)構(gòu)優(yōu)化,提高散熱效果?文獻(xiàn)應(yīng)用ICE-PAK軟件對一電動汽車電動機(jī)控制器的散熱器進(jìn)行了熱分析?控制器的發(fā)熱量主要來自功率MOS-FET管,散熱器采用自然對流進(jìn)行散熱,數(shù)值計算得到的散熱器最高溫度與實測值基本一致?文獻(xiàn)對水在金屬泡沫熱沉中的流動與換熱采用有限元法進(jìn)行數(shù)值計算,并將計算結(jié)果與試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行了比較,結(jié)果顯示,局部努塞爾數(shù)及測點處溫度的計算值與實測值都吻合較好?散熱器流體流動與換熱的研究是結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化及新型散熱器研制的基礎(chǔ)?

2.2結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化

顯然,散熱器肋片的數(shù)量?間距和尺寸等結(jié)構(gòu)參數(shù)對散熱效果有直接影響?在給定條件下,要得到理想的散熱效果,合理選取這些結(jié)構(gòu)參數(shù)十分重要?文獻(xiàn)在對一功率模塊進(jìn)行散熱設(shè)計時,采用數(shù)值計算方法,通過比較最終確定散熱器肋片的數(shù)量?文獻(xiàn)在數(shù)值計算的基礎(chǔ)上,采用優(yōu)化方法獲得給定條件下比原有設(shè)計質(zhì)量更輕?外形尺寸更小的散熱器?通過結(jié)構(gòu)參數(shù)的優(yōu)化可以減小散熱所需的空間,從而節(jié)省材料,降低成本?

2.3新型散熱器的研制

2.3.1含相變材料的散熱器

相變材料較早就已在空間熱控系統(tǒng)中得到應(yīng)用?文獻(xiàn)采用石蠟作為相變材料,將相變材料應(yīng)用到散熱器中,以解決一些發(fā)熱量周期性變化或間隙性工作的電子器件散熱問題?為解決相變材料熱導(dǎo)率低(如石蠟的熱導(dǎo)率僅為0.1~0.4W/(m·K))的問題,可在相變材料中添加石墨等高熱導(dǎo)率材料,以提高其導(dǎo)熱性能?

2.3.2微通道散熱器

微通道是近年來傳熱與流體流動研究的一個熱點?文獻(xiàn)通過數(shù)值計算,比較了變截面微通道與矩形等截面微通道散熱器的散熱情況,結(jié)果顯示,前者的散熱效果要優(yōu)于后者?文獻(xiàn)比較了幾種不同微通道結(jié)構(gòu)熱沉用于大功率激光二極管的散熱情況,結(jié)果顯示,正弦曲線形微通道熱沉的散熱效果最好?相對于常規(guī)通道散熱器或熱沉,一方面,微通道散熱器或熱沉可有效地將電子器件或芯片的熱量由冷卻工質(zhì)帶出,從而解決高熱流密度電子器件或芯片的散熱問題;另一方面,由于微通道尺寸小,大大增加了冷卻工質(zhì)的流動壓降,因此如何減小壓降是微通道散熱器或熱沉設(shè)計的關(guān)鍵之一?

此外,一些材料,如鎂合金,具有質(zhì)量輕?加工性能好的特點,制作成散熱器可用于航空電子設(shè)備等的散熱?還有一些新材料,如金屬泡沫,其密度低,傳熱性能好,可用于新型散熱器的研制?對液體冷卻散熱器,冷卻工質(zhì)的選擇也很重要?文獻(xiàn)對PAO冷卻液的冷卻效果進(jìn)行了試驗研究,并與乙二醇類冷卻液進(jìn)行了對比?

3結(jié)語

在數(shù)值計算或試驗研究的基礎(chǔ)上,優(yōu)化散熱器的結(jié)構(gòu)參數(shù),可以節(jié)省散熱器材料,減小散熱器尺寸,降低散熱成本?

為適應(yīng)電子器件發(fā)熱量和熱流密度不斷升高的發(fā)展趨勢,以及電子器件更為嚴(yán)苛的溫度控制要求,迫切需要研制新型散熱器?而新材料新工藝的不斷出現(xiàn),以及更為先進(jìn)試驗手段的使用和數(shù)值分析在傳熱與流體流動方面的廣泛應(yīng)用,則為散熱器的優(yōu)化設(shè)計和新型散熱器的研制創(chuàng)造了條件?

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