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境,使電子器件的結溫控制在要求范圍內?由于電子器件的發熱量?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構也有多種形式?為提高散熱效果,節省散熱器材料,應對散熱器結構參數進行優化,而參數優化則應以散熱器流動與換熱的研究為基礎?此外,隨著電子器件發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,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構形式,并探討散熱器在幾個研究方向上的一些進展,供相關設計和技術人員參考?

1散熱器的常用結構形式

散熱器的常用結構形式有以下幾種?

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,其散熱性能要優于沒有截斷的散熱器?一些散熱器還可設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)結構緊湊,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陣列進行散熱設計時,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,表面噴涂黑漆或進行陽極氧化處理后,輻射換熱占總散熱量的比例可達20%,甚至更高?

2散熱器研究進展

作為電子器件散熱系統的一個主要部件,散熱器的研究一直受到關注,主要包括散熱器流道內流體流動與換熱?結構參數優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,有助于進行散熱器的結構優化,提高散熱效果?文獻應用ICE-PAK軟件對一電動汽車電動機控制器的散熱器進行了熱分析?控制器的發熱量主要來自功率MOS-FET管,散熱器采用自然對流進行散熱,數值計算得到的散熱器最高溫度與實測值基本一致?文獻對水在金屬泡沫熱沉中的流動與換熱采用有限元法進行數值計算,并將計算結果與試驗數據進行了比較,結果顯示,局部努塞爾數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構參數優化及新型散熱器研制的基礎?

2.2結構參數優化

顯然,散熱器肋片的數量?間距和尺寸等結構參數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,合理選取這些結構參數十分重要?文獻在對一功率模塊進行散熱設計時,采用數值計算方法,通過比較最終確定散熱器肋片的數量?文獻在數值計算的基礎上,采用優化方法獲得給定條件下比原有設計質量更輕?外形尺寸更小的散熱器?通過結構參數的優化可以減小散熱所需的空間,從而節省材料,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中得到應用?文獻采用石蠟作為相變材料,將相變材料應用到散熱器中,以解決一些發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率低(如石蠟的熱導率僅為0.1~0.4W/(m·K))的問題,可在相變材料中添加石墨等高熱導率材料,以提高其導熱性能?

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?文獻通過數值計算,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,結果顯示,前者的散熱效果要優于后者?文獻比較了幾種不同微通道結構熱沉用于大功率激光二極管的散熱情況,結果顯示,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的流動壓降,因此如何減小壓降是微通道散熱器或熱沉設計的關鍵之一?

此外,一些材料,如鎂合金,具有質量輕?加工性能好的特點,制作成散熱器可用于航空電子設備等的散熱?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,冷卻工質的選擇也很重要?文獻對PAO冷卻液的冷卻效果進行了試驗研究,并與乙二醇類冷卻液進行了對比?

3結語

在數值計算或試驗研究的基礎上,優化散熱器的結構參數,可以節省散熱器材料,減小散熱器尺寸,降低散熱成本?

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

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