风冷散热对器件散热的应用
风冷散热对器件散热的应用【1】
摘 要：随着工业产品的快速发展，产品的散热显得尤为重要。
文章选择风冷散热器来进行研究，简单阐明了散热设计中的散热计算、散热器选择、风冷散热计算和风扇选择等步骤，完成简单的风冷散热器设计。
关键词：散热计算，散热器，风冷散热，风扇
1 概 述
伴随着现代高科技工业技术的不断发展和进步，电子电气类产品集成度不断地提高，产品的功能结构设计的也越来越紧凑，但是任何的器件在工作时都存在一定的损耗，而且其中大部分的损耗是变成热量消耗掉，甚至这部分热能还为设备的使用寿命埋下隐患。
部分功率器件由于功率小或散热速度足以抵消热量产生，故不需要散热装置。
而其他大功率的器件若不采取合适的散热措施，则可能致使器件的温度超过允许的结温，使得器件遭受损坏[1]。
所以我们常常将功率器件安装在合适的散热器上，利用散热器的翅片的工作，将大部分的热量用较快的速度散到更大的空间中去，必要时在流通通道中加装风扇，强迫空气对流起来加速热量耗散，或者利用水冷、油冷等其他强迫散热手段。
散热并不是随意而为之，必须经过合理的热量计算，选择合适的散热器和强迫散热手段。
在此以风冷散热为对象来进行研究。
2 散热器散热的计算
我们将一些大功率器件安装在合适的散热器上，而热量在传递过程中，往往形成一定热阻，散热器安装上后却能使产生的热阻大大减小。
而热量总是向着热阻最小的方向流动，所以功率器件上的热量基本是通过散热器上散发出去的。
只有很少的热量从器件其他方向散发出去。
故设定由器件管芯到底部的热阻为RJC，器件底部与散热器接触的热阻为RCS，散热器散热的热阻为RSA，器件的最大功率损耗为PD，并已知器件允许的结温为TJ、环境温度为TA，忽略其他热阻[2]，则总热阻为：
RJA=RJC+RCS+RSA≤(TJ-TA)/PD
则允许最大散热器散热的热阻RSA为：
RSA≤(TJ-TA)/PD-(RJC+RCS)
计算要以最大余量来考虑，所以设TJ=125 ℃，环境温度TA=40～60 ℃，RJC的大小和管芯的尺寸封装结构有关，这一点很多厂家说明中都有提到，还可以通过厂家提供的器件样本数据中查到。
其中RCS的大小常常和安装技术以及大功率器件的封装方式有关，器件与散热器间涂了导热油脂的RCS典型值为0.10.2 ℃/W。
PD可根据不同器件的工作条件计算而得。
如此将RSA最大值计算出来，再通过查散热器的产品手册，找出合适的散热器即可。
需要注意的是，以上计算值选值只作为参考意见，实际数值选择视实际工作环境而定。
3 散热器概要
功率器件常用的散热器分为三种类型：平板散热器、型材散热器和叉指型散热器。
散热器一般来说都是标准件制造，国产型材散热器常见型号为XC、DXC、XSF系列。
型材散热器在工业中较为常用，一般都是铝制品，其散热面积比较大。
而叉指型散热器有散热体积小、对流效果好、重量轻便于携带和安装等优点。
国产叉指型散热器往往可以根据用户可根据要求，切割成需要的长度，来制成非标散热器，常见的国产叉指型散热器的型号为SRZ系列。
散热器到环境的热阻随着散热器上的最大功率损耗PD增大而略微下降，因为当PD增大时，散热器上温升(TJ -TA)也会变大，从而使散热器的辐射散热和对流散热的散热能力增强，故表现为热阻呈下降趋势。
注意如果器件内部电路与散热器之间不是绝缘的，则可以安装云母垫片来进行绝缘，可以防止短路的发生。
如果在使用过程中器件的引脚，需要穿过散热器，那么久要在散热器上要钻孔，此时可以套上聚四氟乙稀套管，来防止引脚与孔壁相碰。
散热器要保持接触面光洁，要远离电源变压器、大功率晶体管等热源，可通过将散热器处理成黑色来提升散热效率。
4 风冷散热计算
运用风扇对散热器进行强制对流散热，可以更好地保证热量快速扩散。
在此，首先根据风速进行散热设计。
设定需要散热热量为PD，空气密度为ρ，热容量为Cp，空气体积流量为Q，进气温度为Ti，排气温度为To。
则风速计算如下式：
PD=ρCpQ(To-Ti)
其中，ρ，Cp取标准大气压下通用值，(To-Ti)取10～15 ℃，PD取功率损耗最大值，则可求出Q值。
另外，设气流通过面积为A，空气流速为v，则：
v=Q/A
一般来说，风扇的参数是在理想状态下标定的，故实际运用中，风扇要承受更多的阻力等影响，所以实际选择风扇参数时，一般使实际计算值等于风扇额定值的60%～80%左右。
5 风扇与散热器之间距离影响
在功率器件强迫吹风冷却情形下，由于吹风引起的风扇旋涡存在，导致散热器与风扇间的距离对其流场均匀度影响较大，当散热器与风扇间的距离足够大时，风扇旋涡对流场的影响较小(从理论上讲)，然而在工业产品设计过程中，一方面往往由于受设计体积的限制，不可能允许散热器与风扇间的距离太大，另一方面，风扇与散热器距离如果过大，减弱了风扇的散热效果，也影响了散热器的功效，故在有限的空间进行合理的距离调试是必要的。
如果在有软件辅助的基础上，利用FLOTHERM热仿真分析软件，通过合理控制热设计冗余，可以得出一个较合理的风扇与散热器的距离，为电源产品的结构设计提供借鉴[3]。
或者选用最基本的多点测试方法，具体如下：
在散热器表面和翅片上黏贴一些温度传感器(如热电偶)。
设风扇与散热器之间的距离为L，假设L的变化范围是0～25 cm，则散热器不变，移动风扇，变换L值。
一般移动2～3 cm测量一次温度。
将同一点的传感器所测量的温度进行比较，寻找最低温度所对应的风扇位置。
当然这种测试方法比较原始，在某些环境下测量并不是很明显。
比如L的可变范围比较小，虽然在一定范围内L越大，散热越均匀，散热效果应该越好，但由于距离短，如果测试精度低，可能测得的数据变化并不明显。
其次，在较为密闭和比较开放的空间，散热效果的变化也会差异很大。
另外，散热器越大，对应散热风扇越大，散热器和风扇间的最佳距离也会跟随变大。
6 结 语
对风冷散热器的设计必须经过散热计算、散热器选择、风冷散热计算和风扇选择等步骤，散热器和风扇之间的距离也要适当调节。
另外还可以对散热器散热分布等进行计算，通过软件对散热结构进行仿真。
从而达到一个在特定条件下最优的散热解决方案。
参考文献：
[1] 李冰，李岩.浅谈热管及其在电子器件散热方面的应用与发展[J].甘 肃科技，2009，(7).
[2] 张诚坚，高健，何南忠.计算方法[M].北京：高等教育出版社，1999.
[3] 李泉明.风扇出风口与散热器间的距离对模块散热的影响研究[J].
风冷半导体空调的散热实验【2】
【摘 要】为了进行试验，我们假设由两组半导体模块组成的半导体空调系统，制冷空间为850 mm×850 mm×850 mm，性能系数COP为0.80，整个系统输入功率为200 W。