1 引言

　　隨著電子組裝技術的不斷發展，電子設備的體積趨于微型化，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。本文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。

　　2 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附表所示[1]。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，水的相變過程換熱系數的量級為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。

　　文獻[2]給出了根據散熱體積和熱阻選擇散熱方式的參考依據，如圖1所示。例如對于熱阻要求為0.01℃/w的散熱方式，如果體積限制在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。

　　3 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intel pentium 4 cpu(2.2ghz)的冷卻為例來說明普通風冷結構的散熱范圍。該cpu發熱量約為55w，表面許可溫度為70℃，芯片尺寸為12×12.5×1.5mm，熱擴散銅板尺寸為31×31mm。散熱器加風扇的限制安裝空間為80×60×50mm。manish saini對該種情況下普通風冷結構的最大散熱量做了實驗研究[4]。采用icepak模擬表明，31×31mm熱擴散銅板的熱阻和16×16mm的銅板均勻加熱時的熱阻相等。實驗方法是以一塊面積為16×16mm、均勻加熱的銅板為熱源，采用普通散熱結構。研究結果表明，當cpu的表面溫度為70℃，周圍空氣溫度為35℃，在80×60×50mm的散熱空間內，風扇采用頂吹形式時最大散熱量為89.4w，采用側吹形式時最大散熱量為78.2w。根據該實驗數據分析，風扇頂吹時的熱源的最大熱流密度為34.9w/cm2，側吹時熱源的最大熱流密度為30.5w/cm2。

　　為了使風冷系統適應高熱密度散熱的新要求，熱設計人員通過改變電子元器件的封裝技術和形式、設計新型的風冷裝置使風冷系統具有更廣闊的適用范圍。在改變封裝形式方面，采用基片在上的倒封裝技術制造的倒裝芯片(flip chip)、直接利用印制電路板做基體的球柵列陣(bga)等手段都提高了封裝模塊的散熱性能。在新型風冷裝置的設計上，ralph l.webb，shinnobu yamauchi[5]等人為電腦的cpu設計了一種名為風冷熱虹器的散熱裝置(air-cooled thermosyphon)，其結構如圖2所示。該裝置由熱虹吸器和散熱片組成，熱虹吸器的管殼材料為鋁，工質為r134a，散熱片的迎風面積為75×90mm(16mm寬)。實驗方法仍是對一塊16×16mm的銅板均勻加熱，實驗結果表明，cpu表面溫度在許可范圍內時，銅板最大加熱密度為39w/cm2，即采用該裝置能從cpu上帶走100w的熱量，這是目前報道的散熱能力最大的風冷裝置。該裝置的缺陷是安裝方位只能取豎直方向，因為熱虹吸器內沒有芯體，液體只能依靠重力回到加熱表面。