电子设备常用散热方式的散热能力分析

水冷及其它散热系统

　　深圳市佳弘发实业有限公司  虽然风冷技术不断提高，但风冷本身受到散热能力的限制，随着热流密度不断提高，具有更大散热能力的水冷装置的应用将大行其道。根据附表，气体强制对流换热系数的大致范围为20～100w/（m2℃），水强制对流的换热系数高达15000w/（m2℃），是气体强制对流换热系数的百倍以上，水沸腾换热系数更高，可以达到25000w/（m2℃）。目前水冷装置的*大散热能力还没有得到研究。以下通过几种冷却装置的散热性能来说明水冷系统的散热能力。

　　现在对印刷电路板或者混和电路基片进行冷却的一种常用方式是将它们连接到采用空气或者液体冷却的冷板上［6］。冷板采用空心结构，通常内部为蜂窝状或者回旋状的结构形式。工质通常是水。冷却水通过强制对流冷却的方式将热量带走。水在管路内的流动根据雷诺数（re）的大小可分为层流、过渡流、紊流三种流态。文献［7］中给出了不同流态下努塞特数的经验公式，可作为计算冷板散热量的依据。对于冷板，使用者*为关心的是热阻和流阻两个参数。在设计过程中，设计者希望得到冷板热阻和流阻的关系，即在一定的热阻要求下，流阻越低越好，这二者之间的关系一方面通过设计者的经验得到，另一方面，还需要通过理论分析，目前，这方面的理论研究还不充分。

比强制对流冷却具有更大换热能力的是沸腾换热。目前人们已设计了多种冷却装置通过液体的沸腾换热来冷却高热流密度的芯片。heffington等人设计了一种由振动产生雾化液滴冷却加热表面的装置（vibration-induced droplet atmozation，vida）。装置结构如图3所示。该装置是一个四周装有散热片的封闭腔，腔直径为50mm，厚度为20mm。腔内底部装有压电致动器和少许液体（水或fc－72）。致动器振动产生雾状液滴，液滴飞溅到加热表面，在加热表面形成持续的液膜，同时液膜汽化带走热量。腔内的蒸汽被腔体外表面的散热器冷却形成液体，在重力作用下回到腔内底部。heffington等人实验研究的结果表明，如果腔体外表面采用风冷散热，加热表面温度为100℃时，该装置的*大散热能力为100w/cm2，如果采用水冷散热，其散热能力可达到200w/cm2。

上世纪80年代中期，美国学者tucherman和pease报道了一种如图4所示的微通道结构。该结构由高导热系数的材料（例如硅）构成。通道宽（wc）和通道壁厚（ws）均为50μm，通道高宽比（b/wc）约为10。在底面（w×l）加上的热量q经过微通道壁传导至通道内，然后被强制对流的流体带走。由于微通道尺寸微小，通道内的传热规律与大尺度槽道完全不同。他们的实验表明当水的流量为10cm3/s，水的温升为71℃时，冷却热流高达790w/cm2。是目前散热能力*大的水冷装置。

微通道的出现适应了不断增高的微电子芯片热流密度的冷却需要，无疑它在其它领域作为高效紧凑的换热器或冷却装置也拥有广阔的应用前景。

　　综合以上水冷装置的介绍分析，可知其散热能力比风冷装置高出1～2个数量级，而且其散热能力还没有被充分挖掘，随着热流密度的不断高涨，其应用将会越来越广泛。

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