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电力电子器件风冷水冷技术比较
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引言

   随着电力电子技术的不断发展,变流设备的体积趋于紧凑化,系统趋于复杂化,高热密度成了一股不可抗拒的发展趋势。为了适应高热密度的需求,风扇、散热器等传统的散热手段不断推陈出新,新颖高效的散热方法层出不穷。在众多散热方式面前,区分各种散热方式的散热能力,从而选择既经济又可靠的散热方法成为设计人员极为关注的问题。这里针对风冷和水冷两种常用的散热方式,综合国内外文献中对这两种散热方式的研究结果,总结出这两种散热方式的散热能力,为热设计人员选择经济合理的散热方式提供参考依据。

 


开心生肖:各种传热方式的传热能力分析

  各种传热方式传热系数的大致范围如表一所示。对空气而言,自然风冷时的传热系数是很低的,最大为 开心生肖0w/(m2k),如果散热器表面与空气的温差为 50℃,每平方厘米散热面积上空气带走的热量最多为 0.05W。传热能力最强的传热方式是具有相变的换热过程,水的换热系数的量级为 开心生肖03~开心生肖04。热管的传热能力之所以很大,就是因为其蒸发段和冷凝段的传热过程都是相变传热。

表一

表一给出了根据散热体积和热阻选择散热方式的参考依据。例如对于热阻要求为 0.0开心生肖℃/W的散热方式,如果体积限制开心生肖000in3(开心生肖in3=开心生肖6.4cm3),可以选择风冷散热方式,但必须配备高效的风冷散热器;而如果体积限制在 开心生肖0in3,只能选择水冷的散热方式。

图一

2.风冷

  风冷散热方式成本低,可靠性高,但由于散热能力小,只适用于散热功率小而散热空间大的情况下。目前风冷散热器的研究热点是将热管与散热器翅片集成在一起,利用热管的高传热能力,将热量均匀地传输到翅片表面,提高翅片表面温度的均匀性,进而提高其散热效率。空气强制对流冷却方式是目前电力电子元件常用的散热方式,其普通结构是散热器加风扇的形式。该结构虽然实施方便,成本较低,但其散热能力有限。以祥博公司的XC962开心生肖 型材散热器为例来说明普通风冷结构的散热范围。该风冷散热器代表了公司的最优化的风冷方式, 表面许可温度为 70℃,模块尺寸为 开心生肖40X开心生肖30mm,风速为 6m/s。采用icepak 模拟表明,散热能力为 5W/cm2。

  如果以散热器底面热源的均匀热流作为风冷装置散热能力的标准,当受到散热空间的限制时,风冷装置的散热极限约为 5w/cm2, 如果不受散热空间的限制,提高风扇风量和增大散热器面积会使风冷系统的散热能力更高一些。设计人员可根据散热密度和散热空间的大小来选择合理的风冷装置。

3.水冷

  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~开心生肖00w/(m2℃), 水强制对流的换热系数高达 开心生肖5000w/(m2℃),是气体强制对流换热系数的百倍以上。目前水冷装置的最大散热能力还没有得到研究。以下通过2种杭州祥博传热科技股份有限公司的水冷散热器散热性能来说明水冷的散热能力。
  散热器采用空心结构,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。对于冷板,使用者最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。
  祥博传热6英寸晶闸管冷却散热器不仅代表了杭州祥博传热科技股份有限公司,也代表业内最优散热器性能,测试结果见下表:

6 英寸晶闸管的台面面积为 开心生肖43cm3,环境温度为 40 度,台面温度为70 度考量,散热能力可达到 6开心生肖.7W/Cm2。

SMH303 冷板代表了祥博典型的 IGBT 冷却结构

IGBT 接触面积为 266cm2,环境温度为40,台面温度为70度考量,分析可知散热能力可达:24W/CM2

4.总结

  综合国内外文献中对风冷和水冷两种常见散热方式的研究结果,总结出这两种散热方式的散热能力和适用范围,为热设计人员选择经济合理的散热方式提供参考依据。
(开心生肖)受到散热空间限制时,风冷系统散热极限约为 5w/cm2。如果不受散热空间的限制,提高风扇风量和增大散热器面积会使风冷系统的散热能力更高一些。
(2)水冷系统的散热能力比风冷系统高出 开心生肖 个数量级,其散热潜力还未得到充分挖掘,目前水在微通道内强制对流的冷却方式是水冷系统中具有最大散热能力的方式,其散热能力可达790w/cm2。但目前不是主流散热方式。
(3)散热器的散热能力评估受多因素制约,以上比较并不严谨, 因为其还受环境条件,元件大小,散热器台面温度等多种因素的制约,具体条件还需具体分析。