馮 靜

（船舶重工集團(tuán)公司723所，揚(yáng)州 225001）

0 引 言

隨著現(xiàn)代電子技術(shù)的迅速發(fā)展，元器件的功率、密度不斷提高，需采用合理的冷卻及散熱手段，以控制設(shè)備內(nèi)的溫升，使電子元器件的溫度在規(guī)定的數(shù)值之下［1］。液體冷卻可分為直接液體冷卻和間接液體冷卻，都是靠液體的流動(dòng)帶走熱量的散熱方式。液體冷板屬于間接液體冷卻，利用了液體導(dǎo)熱系數(shù)及比熱容較大的特性，另外液體還具有重量輕、體積小的優(yōu)點(diǎn)。液體冷板作為一種高效成熟的冷卻設(shè)備得到了廣泛的應(yīng)用［2］。下文即對(duì)液體冷板運(yùn)用于電子器件的散熱特性開展研究。

1 液體冷板熱特性計(jì)算

1.1 問題描述

在環(huán)境溫度為35℃以下，一塊鋁制水冷板上安裝3個(gè)晶體管，其中單個(gè)晶體管的發(fā)熱功率Q0＝160 W，元件安裝表面的最高允許溫度是70℃。圖1給出了冷板的外形尺寸、結(jié)構(gòu)形式，冷卻水相關(guān)參數(shù)如表1所示。求當(dāng)前條件下，若在晶體管安裝表面采用硅脂，元件表面溫度是多少℃［3］？

表1 冷卻水物性參數(shù)

1.2 計(jì)算分析

元件安裝表面的溫度可通過計(jì)算元件到冷卻液之間熱流通道上的溫升而求得。

（1）晶體管與液體冷板安裝結(jié)合面上的溫升Δt1

由于表面材料并不平整和光滑，2個(gè)連接表面的界面是由許多點(diǎn)到點(diǎn)的接觸點(diǎn)和它周圍的空氣鼓包組成的，所以大多數(shù)界面之間都存在接觸熱阻。為了減少接觸熱阻，可以采用提高兩接觸面的光潔度，并在接觸面涂覆薄層導(dǎo)熱脂的方法。

對(duì)于采用熱硅脂安裝的晶體管，可查得其熱阻R＝0.2℃／W，Δt1＝R·Q0＝32℃，Q0應(yīng)為單個(gè)晶體管的功率耗散量。

圖1 液冷板結(jié)構(gòu)尺寸

（2）晶體管向液體冷板上冷卻通道傳導(dǎo)熱量的溫升Δt2

依據(jù)傅里葉定律，在導(dǎo)熱過程中，單位時(shí)間內(nèi)通過給定面積的熱流量，正比于垂直于導(dǎo)熱方向的導(dǎo)熱面積及溫度變化率，從而有：

式中：Q0＝160 W，為單個(gè)晶體管的功率耗散量；Δx＝20 mm，為熱傳導(dǎo)長(zhǎng)度；λ＝180 W／（m×℃），為液冷板材料的熱導(dǎo)率；

（3）晶體管與液冷板冷卻液對(duì)流換熱的溫升Δt3

Δt3是流體發(fā)生相對(duì)位移時(shí)而引起的熱量傳遞過程，本案例中流體的運(yùn)動(dòng)是由外力引起的，則這一過程是強(qiáng)制對(duì)流性的，故：

式中：Q＝480 W，為3個(gè)晶體管的總功率；A＝πDe L，為液冷板冷卻通道內(nèi)壁表面積；L＝391.946 mm，為液冷板冷卻通道有效長(zhǎng)度。

（4）冷卻液在流過液冷板時(shí)從所有晶體管上帶走熱量引起的溫升Δt4

Δt4是冷卻液流過冷板而引起的溫升，根據(jù)液冷公式，Δt4為：

從而晶體管與液冷板接觸面的溫度：

則按照以上方法計(jì)算冷卻液不同流量時(shí)晶體管的最高溫度，如表2所示。

表2 液冷板表面溫度計(jì)算結(jié)果

2 熱仿真過程

Icepak是熱管理和電子設(shè)備散熱分析的專業(yè)軟件，可對(duì)系統(tǒng)級(jí)、設(shè)備級(jí)、元件級(jí)的電子產(chǎn)品進(jìn)行熱分析。對(duì)本例仿真，得到的液冷板溫度場(chǎng)分布如圖2所示。

且不同流量設(shè)置時(shí)液冷板安裝表面最高溫度如表3所示，仿真結(jié)果表明隨著流量的增加，晶體管安裝表面溫度逐漸降低，可以取得較好的冷卻效果。且仿真結(jié)果與計(jì)算結(jié)果進(jìn)行比較，誤差在10%以內(nèi)，相互印證提高了仿真結(jié)果的可信度。

表3 液冷板表面溫度仿真結(jié)果

圖2 液冷板表面溫度場(chǎng)分布

3 結(jié)束語

通過對(duì)液體冷板的性能計(jì)算及計(jì)算機(jī)仿真，可以在設(shè)計(jì)過程中對(duì)液體冷板的性能有所把握，對(duì)提高設(shè)計(jì)效率，減少重復(fù)工作具有一定意義。

［1］高新霞.大功率電子元器件及設(shè)備結(jié)構(gòu)的熱設(shè)計(jì)研究［D］.北京：華北電力大學(xué)，2006.

［2］陶文銓，楊世銘.傳熱學(xué)［M］.北京：高等教育出版社，1998.

［3］顧學(xué)歧.冷板的優(yōu)化設(shè)計(jì)及強(qiáng)度計(jì)算［J］.電子機(jī)械工程，2006，1998，24（1）：24－32.