翁建华1，石梦琦1，崔晓钰2
(1.上海电力学院 能源与机械工程学院，上海 200090；2.上海理工大学 能源与动力工程学院，上海 200093)
摘 要：散热器是电子器件散热或冷却的主要部件之一，散热器结构形式的设计与参数选取直接影响到散热效果。目前，电子器件常用的散热器有柱状翅片散热器、矩形通道散热器、锯齿形翅片散热器和液体冷却散热器等几种。散热器流动与换热的研究是进行结构参数优化及新型散热器研制的基础，而结构参数优化可减小散热器的体积，节省材料，提高散热效果。为解决一些发热量周期性变化或间隙性工作的电子器件散热问题，相变材料被应用到散热器中。此外，微通道可有效解决高热流密度电子器件或芯片的散热问题，但微通道流动压降较大，因此如何减小流动压降成为微通道散热器设计的一个关键。
关键词：电子器件；散热器；散热
用于电子器件散热或冷却的散热器又被称为热沉，是电子器件散热或冷却的一个主要部件。一些电子器件，如电力电子器件IGBT、电脑CPU和大功率LED等，发热功率高，热流密度大，需要通过一定的方式将热量传递给周围环境，使电子器件的结温控制在要求范围内。由于电子器件的发热量、热流密度和使用场合千差万别，因此用于冷却或散热的散热器的结构也有多种形式。为提高散热效果，节省散热器材料，应对散热器结构参数进行优化，而参数优化则应以散热器流动与换热的研究为基础。此外，随着电子器件发热功率和热流密度的不断增加，以及新的散热要求的不断出现，新型散热器的研制也十分必要。本文介绍目前常用的几种散热器结构形式，并探讨散热器在几个研究方向上的一些进展，供相关设计和技术人员参考。
散热器的常用结构形式有以下几种。
1)柱状翅片散热器。柱状翅片散热器(见图1)的柱体截面可以是方形、圆形或椭圆形等；柱状翅片的排列可以是顺排，也可以是错列。这种散热器底部涂抹导热硅脂后可直接放置于电子器件之上，通过自然对流或强制对流进行散热。
图1 柱状翅片散热器示意图
2)矩形通道散热器。散热通道截面为矩形的空气冷却散热器示意图如图2所示。研究显示，肋片中间有截断(见图3)的散热器，其散热性能要优于没有截断的散热器[1]。一些散热器还可设计成肋高变化的形式，以改善散热效果(见图4)。
图2 矩形通道空气冷却散热器示意图
图3 肋片中间有截断的空气冷却散热器示意图
图4 肋高变化的散热器示意图
3)锯齿形翅片散热器。这种散热器(见图5)结构紧凑，而沿流动方向不断错位的流道起到了强化传热的作用[2]。散热器也常与热管连接后一起使用，热量通过热管由电子器件传递至散热器。
图5 锯齿形翅片散热器示意图
4)液体冷却散热器。对一些发热量大的电子器件，如IGBT等，液体冷却是常用的冷却方式[3-4]。简单液体冷却散热器示意图如图6所示，冷却液(如水、乙二醇水溶液等)流经散热器流道，可带走电子器件传递给散热器的热量。
图6 液体冷却散热器示意图
对大功率LED阵列进行散热设计时，还常用到径向式热沉，又称太阳花散热器[5]。这种散热器的主要散热方式也是对流，但辐射的影响也不可忽略。计算显示，表面喷涂黑漆或进行阳极氧化处理后，辐射换热占总散热量的比例可达20%，甚至更高[6]。
作为电子器件散热系统的一个主要部件，散热器的研究一直受到关注，主要包括散热器流道内流体流动与换热、结构参数优化和新型散热器研制等。
通过对散热器流体流动与换热研究，可以了解散热器肋片的温度分布、通道内的流动情况以及流体与散热器肋片表面的换热情况，有助于进行散热器的结构优化，提高散热效果。文献[7]应用ICEPAK软件对一电动汽车电动机控制器的散热器进行了热分析。控制器的发热量主要来自功率MOSFET管，散热器采用自然对流进行散热，数值计算得到的散热器最高温度与实测值基本一致。文献[8]对水在金属泡沫热沉中的流动与换热采用有限元法进行数值计算，并将计算结果与试验数据进行了比较，结果显示，局部努塞尔数及测点处温度的计算值与实测值都吻合较好。散热器流体流动与换热的研究是结构参数优化及新型散热器研制的基础。
显然，散热器肋片的数量、间距和尺寸等结构参数对散热效果有直接影响。在给定条件下，要得到理想的散热效果，合理选取这些结构参数十分重要。文献[9]在对一功率模块进行散热设计时，采用数值计算方法，通过比较最终确定散热器肋片的数量。文献[10]在数值计算的基础上，采用优化方法获得给定条件下比原有设计质量更轻、外形尺寸更小的散热器。通过结构参数的优化可以减小散热所需的空间，从而节省材料，降低成本。
2.3.1 含相变材料的散热器
相变材料较早就已在空间热控系统中得到应用[11]。文献[12]采用石蜡作为相变材料，将相变材料应用到散热器中，以解决一些发热量周期性变化或间隙性工作的电子器件散热问题。为解决相变材料热导率低(如石蜡的热导率仅为0.1～0.4 W/(m·K))的问题，可在相变材料中添加石墨等高热导率材料，以提高其导热性能[13-15]。
2.3.2 微通道散热器
微通道是近年来传热与流体流动研究的一个热点。文献[16]通过数值计算，比较了变截面微通道与矩形等截面微通道散热器的散热情况，结果显示，前者的散热效果要优于后者。文献[17]比较了几种不同微通道结构热沉用于大功率激光二极管的散热情况，结果显示，正弦曲线形微通道热沉的散热效果最好。相对于常规通道散热器或热沉，一方面，微通道散热器或热沉可有效地将电子器件或芯片的热量由冷却工质带出，从而解决高热流密度电子器件或芯片的散热问题[18]；另一方面，由于微通道尺寸小，大大增加了冷却工质的流动压降，因此如何减小压降是微通道散热器或热沉设计的关键之一。
此外，一些材料，如镁合金，具有质量轻、加工性能好的特点，制作成散热器可用于航空电子设备等的散热[19]。还有一些新材料，如金属泡沫，其密度低，传热性能好，可用于新型散热器的研制。对液体冷却散热器，冷却工质的选择也很重要。文献[20]对PAO冷却液的冷却效果进行了试验研究，并与乙二醇类冷却液进行了对比。
在数值计算或试验研究的基础上，优化散热器的结构参数，可以节省散热器材料，减小散热器尺寸，降低散热成本。
为适应电子器件发热量和热流密度不断升高的发展趋势，以及电子器件更为严苛的温度控制要求，迫切需要研制新型散热器。而新材料新工艺的不断出现，以及更为先进试验手段的使用和数值分析在传热与流体流动方面的广泛应用，则为散热器的优化设计和新型散热器的研制创造了条件。
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* 上海市“科技创新行动计划”高新技术领域项目(12dz1143800)
作者简介：翁建华(1968-)，男，副教授，博士，主要从事电子器件的散热、传热与流体流动等方面的研究。
收稿日期：2017-08-01
责任编辑 郑练
WENG Jianhua1, SHI Mengqi1, CUI Xiaoyu2
(1.School of Energy amp; Mechanical Engineering, Shanghai University of Electric Power, Shanghai 200090, China; 2.School of Energy and Power Engineering, University of Shanghai for Science and Technology, Shanghai 200093, China)
Abstract： Heat sink is one of the key components for heat dissipation of electronic device or electronic cooling. The design of configuration types and selection of parameters are directly related to the effect of heat dissipation. Pin-fin heat sinks, plate-fin heat sinks, heat sinks with zigzag channels, and liquid-cooling heat sinks are several heat sinks which are often used. Research on fluid flow and heat transfer is the basis for optimization of configuration parameters. Configuration parameter optimization can reduce the size of heat sinks, save materials and improving heat dissipating. In order to resolve heat dissipation issues for electronic devices working periodically or intermittently, phase change materials are used in heat sinks. In addition, microchannel heat sinks are used for high heat flux heat dissipation for electronic devices or chips. However, pressure drop for flow in microchannel is large and how to reduce pressure drop becomes a key issue for the design of microchannel heat sinks.
Key words: electronic devices, heat sinks, heat dissipation
中图分类号：TK 124
文献标志码:A
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