引言

   隨著電力電子技術的不斷發展，變流設備的體積趨于緊湊化，系統趨于復雜化，高熱密度成了一股不可抗拒的發展趨勢。為了適應高熱密度的需求，風扇、散熱器等傳統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，區分各種散熱方式的散熱能力，從而選擇既經濟又可靠的散熱方法成為設計人員極為關注的問題。這里針對風冷和水冷兩種常用的散熱方式，綜合國內外文獻中對這兩種散熱方式的研究結果，總結出這兩種散熱方式的散熱能力，為熱設計人員選擇經濟合理的散熱方式提供參考依據。

1：各種傳熱方式的傳熱能力分析

  各種傳熱方式傳熱系數的大致范圍如表一所示。對空氣而言，自然風冷時的傳熱系數是很低的，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。傳熱能力最強的傳熱方式是具有相變的換熱過程，水的換熱系數的量級為 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

表一給出了根據散熱體積和熱阻選擇散熱方式的參考依據。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），可以選擇風冷散熱方式，但必須配備高效的風冷散熱器；而如果體積限制在 10in³，只能選擇水冷的散熱方式。

圖一

2.風冷

  風冷散熱方式成本低，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。目前風冷散熱器的研究熱點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，將熱量均勻地傳輸到翅片表面，提高翅片表面溫度的均勻性，進而提高其散熱效率。空氣強制對流冷卻方式是目前電力電子元件常用的散熱方式，其普通結構是散熱器加風扇的形式。該結構雖然實施方便，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冷結構的散熱范圍。該風冷散熱器代表了公司的最優化的風冷方式， 表面許可溫度為 70℃，模塊尺寸為 140X130mm，風速為 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冷裝置散熱能力的標準，當受到散熱空間的限制時，風冷裝置的散熱極限約為 5w/cm²， 如果不受散熱空間的限制，提高風扇風量和增大散熱器面積會使風冷系統的散熱能力更高一些。設計人員可根據散熱密度和散熱空間的大小來選擇合理的風冷裝置。

3.水冷

  雖然風冷技術不斷提高，但風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用將大行其道。根據附表，氣體強制對流換熱系數的大致范圍為 20～100w/（m²℃）， 水強制對流的換熱系數高達 15000w/（m²℃），是氣體強制對流換熱系數的百倍以上。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。
  散熱器采用空心結構，通常內部為蜂窩狀或者回旋狀的結構形式。工質通常是水。冷卻水通過強制對流冷卻的方式將熱量帶走。水在管 路內的流動根據雷諾數（re）的大小可分為層流、過渡流、紊流三種流態。對于冷板，使用者最為關心的是熱阻和流阻兩個參數。在設計過程中，設計者希望得到冷板熱阻和流阻的關系，即在一定的熱阻要 求下，流阻越低越好，這二者之間的關系一方面通過設計者的經驗得 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，也代表業內最優散熱器性能，測試結果見下表：

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

SMH303 冷板代表了祥博典型的 IGBT 冷卻結構

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

4.總結

  綜合國內外文獻中對風冷和水冷兩種常見散熱方式的研究結果，總結出這兩種散熱方式的散熱能力和適用范圍，為熱設計人員選擇經濟合理的散熱方式提供參考依據。
（1）受到散熱空間限制時，風冷系統散熱極限約為 5w/cm²。如果不受散熱空間的限制，提高風扇風量和增大散熱器面積會使風冷系統的散熱能力更高一些。
（2）水冷系統的散熱能力比風冷系統高出 1 個數量級，其散熱潛力還未得到充分挖掘，目前水在微通道內強制對流的冷卻方式是水冷系統中具有最大散熱能力的方式，其散熱能力可達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，以上比較并不嚴謹， 因為其還受環境條件，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。