淺析風(fēng)冷散熱對(duì)器件散熱的應(yīng)用

潘舒潔

摘 ?要：隨著工業(yè)產(chǎn)品的快速發(fā)展，產(chǎn)品的散熱顯得尤為重要。文章選擇風(fēng)冷散熱器來(lái)進(jìn)行研究，簡(jiǎn)單闡明了散熱設(shè)計(jì)中的散熱計(jì)算、散熱器選擇、風(fēng)冷散熱計(jì)算和風(fēng)扇選擇等步驟，完成簡(jiǎn)單的風(fēng)冷散熱器設(shè)計(jì)。

關(guān)鍵詞：散熱計(jì)算，散熱器，風(fēng)冷散熱，風(fēng)扇

中圖分類號(hào)：TG156. 4 ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ? ? ?文章編號(hào)：1006-8937（2015）35-0038-01

1 ?概 ?述

伴隨著現(xiàn)代高科技工業(yè)技術(shù)的不斷發(fā)展和進(jìn)步，電子電氣類產(chǎn)品集成度不斷地提高，產(chǎn)品的功能結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的也越來(lái)越緊湊，但是任何的器件在工作時(shí)都存在一定的損耗，而且其中大部分的損耗是變成熱量消耗掉，甚至這部分熱能還為設(shè)備的使用壽命埋下隱患。部分功率器件由于功率小或散熱速度足以抵消熱量產(chǎn)生，故不需要散熱裝置。而其他大功率的器件若不采取合適的散熱措施，則可能致使器件的溫度超過(guò)允許的結(jié)溫，使得器件遭受損壞[1]。所以我們常常將功率器件安裝在合適的散熱器上，利用散熱器的翅片的工作，將大部分的熱量用較快的速度散到更大的空間中去，必要時(shí)在流通通道中加裝風(fēng)扇，強(qiáng)迫空氣對(duì)流起來(lái)加速熱量耗散，或者利用水冷、油冷等其他強(qiáng)迫散熱手段。

散熱并不是隨意而為之，必須經(jīng)過(guò)合理的熱量計(jì)算，選擇合適的散熱器和強(qiáng)迫散熱手段。在此以風(fēng)冷散熱為對(duì)象來(lái)進(jìn)行研究。

2 ?散熱器散熱的計(jì)算

我們將一些大功率器件安裝在合適的散熱器上，而熱量在傳遞過(guò)程中，往往形成一定熱阻，散熱器安裝上后卻能使產(chǎn)生的熱阻大大減小。而熱量總是向著熱阻最小的方向流動(dòng)，所以功率器件上的熱量基本是通過(guò)散熱器上散發(fā)出去的。只有很少的熱量從器件其他方向散發(fā)出去。

故設(shè)定由器件管芯到底部的熱阻為RJC，器件底部與散熱器接觸的熱阻為RCS，散熱器散熱的熱阻為RSA，器件的最大功率損耗為PD，并已知器件允許的結(jié)溫為TJ、環(huán)境溫度為TA，忽略其他熱阻[2]，則總熱阻為：

RJA=RJC+RCS+RSA≤（TJ-TA）/PD

則允許最大散熱器散熱的熱阻RSA為：

RSA≤（TJ-TA）/PD-（RJC+RCS）

計(jì)算要以最大余量來(lái)考慮，所以設(shè)TJ=125 ℃，環(huán)境溫度TA=40～60 ℃，RJC的大小和管芯的尺寸封裝結(jié)構(gòu)有關(guān)，這一點(diǎn)很多廠家說(shuō)明中都有提到，還可以通過(guò)廠家提供的器件樣本數(shù)據(jù)中查到。其中RCS的大小常常和安裝技術(shù)以及大功率器件的封裝方式有關(guān)，器件與散熱器間涂了導(dǎo)熱油脂的RCS典型值為0.10.2 ℃/W。PD可根據(jù)不同器件的工作條件計(jì)算而得。如此將RSA最大值計(jì)算出來(lái)，再通過(guò)查散熱器的產(chǎn)品手冊(cè)，找出合適的散熱器即可。

需要注意的是，以上計(jì)算值選值只作為參考意見(jiàn)，實(shí)際數(shù)值選擇視實(shí)際工作環(huán)境而定。

3 ?散熱器概要

功率器件常用的散熱器分為三種類型：平板散熱器、型材散熱器和叉指型散熱器。

散熱器一般來(lái)說(shuō)都是標(biāo)準(zhǔn)件制造，國(guó)產(chǎn)型材散熱器常見(jiàn)型號(hào)為XC、DXC、XSF系列。型材散熱器在工業(yè)中較為常用，一般都是鋁制品，其散熱面積比較大。而叉指型散熱器有散熱體積小、對(duì)流效果好、重量輕便于攜帶和安裝等優(yōu)點(diǎn)。國(guó)產(chǎn)叉指型散熱器往往可以根據(jù)用戶可根據(jù)要求，切割成需要的長(zhǎng)度，來(lái)制成非標(biāo)散熱器，常見(jiàn)的國(guó)產(chǎn)叉指型散熱器的型號(hào)為SRZ系列。

散熱器到環(huán)境的熱阻隨著散熱器上的最大功率損耗PD增大而略微下降，因?yàn)楫?dāng)PD增大時(shí)，散熱器上溫升（TJ -TA）也會(huì)變大，從而使散熱器的輻射散熱和對(duì)流散熱的散熱能力增強(qiáng)，故表現(xiàn)為熱阻呈下降趨勢(shì)。

注意如果器件內(nèi)部電路與散熱器之間不是絕緣的，則可以安裝云母墊片來(lái)進(jìn)行絕緣，可以防止短路的發(fā)生。如果在使用過(guò)程中器件的引腳，需要穿過(guò)散熱器，那么久要在散熱器上要鉆孔，此時(shí)可以套上聚四氟乙稀套管，來(lái)防止引腳與孔壁相碰。散熱器要保持接觸面光潔，要遠(yuǎn)離電源變壓器、大功率晶體管等熱源，可通過(guò)將散熱器處理成黑色來(lái)提升散熱效率。

4 ?風(fēng)冷散熱計(jì)算

運(yùn)用風(fēng)扇對(duì)散熱器進(jìn)行強(qiáng)制對(duì)流散熱，可以更好地保證熱量快速擴(kuò)散。在此，首先根據(jù)風(fēng)速進(jìn)行散熱設(shè)計(jì)。設(shè)定需要散熱熱量為PD，空氣密度為ρ，熱容量為Cp，空氣體積流量為Q，進(jìn)氣溫度為Ti，排氣溫度為To。則風(fēng)速計(jì)算如下式：

PD=ρCpQ（To-Ti）

其中，ρ，Cp取標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下通用值，（To-Ti）取10～15 ℃，PD取功率損耗最大值，則可求出Q值。

另外，設(shè)氣流通過(guò)面積為A，空氣流速為v，則：

v=Q/A

一般來(lái)說(shuō)，風(fēng)扇的參數(shù)是在理想狀態(tài)下標(biāo)定的，故實(shí)際運(yùn)用中，風(fēng)扇要承受更多的阻力等影響，所以實(shí)際選擇風(fēng)扇參數(shù)時(shí)，一般使實(shí)際計(jì)算值等于風(fēng)扇額定值的60%～80%左右。

5 ? 風(fēng)扇與散熱器之間距離影響

在功率器件強(qiáng)迫吹風(fēng)冷卻情形下，由于吹風(fēng)引起的風(fēng)扇旋渦存在，導(dǎo)致散熱器與風(fēng)扇間的距離對(duì)其流場(chǎng)均勻度影響較大，當(dāng)散熱器與風(fēng)扇間的距離足夠大時(shí)，風(fēng)扇旋渦對(duì)流場(chǎng)的影響較小（從理論上講），然而在工業(yè)產(chǎn)品設(shè)計(jì)過(guò)程中，一方面往往由于受設(shè)計(jì)體積的限制，不可能允許散熱器與風(fēng)扇間的距離太大，另一方面，風(fēng)扇與散熱器距離如果過(guò)大，減弱了風(fēng)扇的散熱效果，也影響了散熱器的功效，故在有限的空間進(jìn)行合理的距離調(diào)試是必要的。

如果在有軟件輔助的基礎(chǔ)上，利用FLOTHERM熱仿真分析軟件，通過(guò)合理控制熱設(shè)計(jì)冗余，可以得出一個(gè)較合理的風(fēng)扇與散熱器的距離，為電源產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供借鑒[3]。或者選用最基本的多點(diǎn)測(cè)試方法，具體如下：

在散熱器表面和翅片上黏貼一些溫度傳感器（如熱電偶）。設(shè)風(fēng)扇與散熱器之間的距離為L(zhǎng)，假設(shè)L的變化范圍是0～25 cm，則散熱器不變，移動(dòng)風(fēng)扇，變換L值。一般移動(dòng)2～3 cm測(cè)量一次溫度。將同一點(diǎn)的傳感器所測(cè)量的溫度進(jìn)行比較，尋找最低溫度所對(duì)應(yīng)的風(fēng)扇位置。

當(dāng)然這種測(cè)試方法比較原始，在某些環(huán)境下測(cè)量并不是很明顯。比如L的可變范圍比較小，雖然在一定范圍內(nèi)L越大，散熱越均勻，散熱效果應(yīng)該越好，但由于距離短，如果測(cè)試精度低，可能測(cè)得的數(shù)據(jù)變化并不明顯。其次，在較為密閉和比較開(kāi)放的空間，散熱效果的變化也會(huì)差異很大。

另外，散熱器越大，對(duì)應(yīng)散熱風(fēng)扇越大，散熱器和風(fēng)扇間的最佳距離也會(huì)跟隨變大。

6 ?結(jié) ?語(yǔ)

對(duì)風(fēng)冷散熱器的設(shè)計(jì)必須經(jīng)過(guò)散熱計(jì)算、散熱器選擇、風(fēng)冷散熱計(jì)算和風(fēng)扇選擇等步驟，散熱器和風(fēng)扇之間的距離也要適當(dāng)調(diào)節(jié)。另外還可以對(duì)散熱器散熱分布等進(jìn)行計(jì)算，通過(guò)軟件對(duì)散熱結(jié)構(gòu)進(jìn)行仿真。從而達(dá)到一個(gè)在特定條件下最優(yōu)的散熱解決方案。

參考文獻(xiàn)：

[1] 李冰，李巖.淺談熱管及其在電子器件散熱方面的應(yīng)用與發(fā)展[J].甘 ? 肅科技，2009，（7）.

[2] 張誠(chéng)堅(jiān)，高健，何南忠.計(jì)算方法[M].北京：高等教育出版社，1999.

[3] 李泉明.風(fēng)扇出風(fēng)口與散熱器間的距離對(duì)模塊散熱的影響研究[J].

技術(shù)縱橫，2005，（4）.