一、常用散热方法特点分析

1、自然对流散热

自然对流散热是指运动着的流体流经温度与之不同的固体表面时与固体表面发生的热交换过程。而自然对流是指由于部分空气被加热引起的密度降低导致的上升，与冷空气的不断补充形成的空气流动。自然对流散热就是这种无外力驱动情况下，由流体各部分密度的不同而引起的流体流动，形成的流体与发热固体壁面间的热交换。在热负荷不高的电子设备中这种散热方法被广泛采用。

空气自然对流散热的热流密度一般为0.08W/cm2。大多通信产品采用这种散热方式，由于机箱一般都是密闭的箱体，电子器件的发热量只能通过传导和辐射将热量传递到机箱外表后才能与周围的空气发生自然对流散热，因此，这种密闭的箱体的散热效率较低，常常会出现箱体内部温度过高导致电子器件的高温失效。

自然对流散热的散热能力可按下列牛顿冷却公式计算：

Q = hA(Ts-Ta)

式中：A——对流换热面积，m2；

h——对流表面换热系数，W/m2·K

电子器件自然空气对流散热的换热系数h一般只能达到2~10 W/m2·K的量级，机箱受到重量和体积的限制，面积增加有限，对应的散热能力提升难度大。

2、强制对流散热

强制对流散热是指通过外力的驱动使流体按照人为安排的路径，在发热体表面流动产生的热交换过程。空气强制对流散热的热流密度一般为0.3W/cm2。采用风机进行散热是空气强制对流散热的方式之一。

影响强制对流散热的主要因素有：

1）层流与湍流，层流是分层流动各层之间互不串扰，热量传递能力较弱、对流阻力小；湍流是流体各层发生了剧烈混合，热交换强烈、对流阻力大。

2）压力损失，流体流经固体表面时，摩擦、流经表面的限制或面积的突变产生的流动阻力，结果导致流体压力损失或流动速度的降低。

3）流体的物理特性，流体有气体和液体两种，常用的有空气和水两种最经济的流体介质。影响对流散热换热系数h物理特性有：流体密度ρ，导热系数λ，流体定压比热容CP ,流体的动力黏度μ

电子器件强制空气对流散热的换热系数h一般只能达到20~100 W/m2·K的量级。强制空气对流散热能力与自然对流相比，散热能力成倍增长，最高可高达10倍。

换热系数h=f(d,u, ρ, λ, CP, μ), ρ, λ, CP数值越大对散热越有利，动力黏度μ越大越不利于流体流动，对散热不利。因为水的密度ρ，导热系数λ及比热容CP 均大于空气， 所以水冷强制对流散热的换热系数 h大于强制空气对流散热， h通常能达到1000~2500 W/m2·K甚至的量级，显然强制对流换热优于自然对流散热。

水冷强制对流散热的热流密度一般为5W/cm2。

3、热管散热

热管散热严格意义上讲是利用了热管的高效导热特性，将热量从电子器件的发热部位传导到可作为对流换热的物体表面，热管起的作用是导热。其内部的热传导机理是利用了液体的蒸发气化和冷凝的相变过程，将热量从热端（蒸发端）带到冷端（冷凝端）。其内部工作原理见下图，

热管一般用于结构上不方便布局直接散热，需要将热量搬迁到其他部位散热的情形，也用于个别集中热源的导热均温，降低集中热源的温度。常用的案例如笔记本电脑的散热问题，见下图。

综合上述三种常用散热方法特点，不难看出：1、空气自然对流散热，散热能力有限，只能满足一般应用条件的中小功率产品散热要求。2、强制空气对流散热，由于强制对流不能直接与发热器件进行热交换，热量需要通过金属的热传导，传导路径的热阻使得发热器件的温度控制受到限制，因此，强制空气对流散热对大功率产品散热有效，但散热对一些热敏感点作用有限，对个别高功率热源的温度降低只能是隔靴搔痒的作用。所以强制空气对流散热方式可用于大功率产品散热，只要满足使用要求还是比较经济方案。3、热管传导散热，热管传导本身并不增加散热表面的散热能力，只是增加了热的传导能力。应用上通常作为集中热源的有效传导工具，将热量传递到机箱外部再辅以翅片式的散热片，完成热量的传导和散热。该散热方式对结构工艺要求高、结构布局不灵活、成本高，所以在通信产品上应用较少。4、水冷强制对流散热，这里将要讨论的是集中热源的水冷散热，方法是将安装有高功率芯片的底座做成水冷强制对流冷板，利用水的物理特性直接与热源进行热交换，然后利用被加热的介质水通过管道将热量传递到机箱结构的外部。从热量的传递路径上该方式与热管有点类似，但水冷强制对流对集中热源的交换更直接，且结构布局灵活，冷板模块可以在机箱内任意摆放，可以打破传统的直放站结构布局，应用更加灵活，成本低于热管散热方式。

上图是一款用于50W功放底座的水冷产品图。

二、水冷散热在大功率产品应用的可行性分析与总结

1、水冷散热的理论计算

这里研究的水冷系统是一种冷板结构，强迫流体介质为冷却水。介质与集中热源间存在热交换，其热交换系数根据传热学理论，管内液体强制对流换热有下列关系式：

Nu=0.023Re0.8Pr0.4

雷诺数 Re=ud/ν

普朗特数Pr=μcp/λ

努塞尔数Nu=hd/λ

动力黏度μ=ρν

当量直径d=4A/T

已知水的动力黏度μ=56.6x10-6, 比热容CP=4174，导热系数λ=0.55,模块底座水冷通道截面Af=4x7[mm2]，水道长度186mm。由u0=11.88可推算出u= u0A0/Af,u=5.33[m/s],代入可得：

雷诺数Re=ud/ν= ρud/μ=4.793x105,管内发生湍流，换热充分。

普朗特数Pr=μcp/λ=0.

当量直径d=4Af/T=4x28/22=5.09

努塞尔数Nu=0.023Re0.8Pr0.4=574.6

对流换热方程：Q=h·A·△tm·η0

换热效率：η0

换热面积：A=186·T=4.09x10-3[m2]

水冷底座的换热系数：h=μ·cp·um·Pr-2/3

水冷通道流体质量流速um=uρ

计算可得水冷底座的换热系数：h=μ·cp·um·Pr-2/3=2211.9[W/m2·K]

换热能力：Q=h·A·△tm·η0=9.047·△tm·η0

假设模块底座水冷通道内流体平均温升△tm=20℃，换热效率：η0=0.8，则水冷功放底座的强制水冷散热能力可达到：Q=9.047·△tm·η0=144.75[W]。

2、水冷散热的可靠性分析

水冷系统由：水冷空气散热排，水箱水泵组合，水冷头（强制水冷散热装置，应用时将用水冷功放底座代替），软管及管接头零部件组成。

水冷底座采用铝合金材料机加工并焊接成型，加工好的底座经试压检验后，使用

的可靠性高，基本上不可能出现实效的情况；

软管及管接头，在0℃~60℃工作环境条件下，平均无故障工作时间大于10万小

水泵及风扇的可靠性，家用PC 级在0℃~40℃工作环境条件下的平均无故障工作时

间约为4万小时；工业级在0℃~40℃工作环境条件下的L10故障率寿命约为5万小时。

空气散热排、水箱的平均无故障工作时间均大于10万小时。

综合上述零部件的寿命情况，可知水泵及风扇的可靠性是系统寿命的关键，因此在设计水冷系统时，应重点考虑其工作环境、寿命及相应的系统保护措施。

3、水冷散热系统的成本分析

大功率产品集中热源的散热要求，有时想采用较为经济的自然散热或强制空气冷却也是无能为力了。这样能够使用的散热方法有两种，一是热管散热二是强制水冷散热。热管散热片的加工工艺复杂，成本也相当贵。

水冷散热装置的成本，水冷散热器为PC级用途，在电脑市场购得，成本为400元。其中风扇和水泵约为130元、空气散热排约为240元、其他配件30元。60W~80W产品若采用工业级的风扇和水泵成本约需要250元、空气散热排按要求增大面积成本约为480元，包括其他配件整个系统成本合计约为900~1000元。相比同等散热能力的热管机箱，成本上应该略低于热管散热机箱，水冷散热系统由于部件较多，系统复杂性高于热管系统，但是水冷系统有可控的优点，实际应用的灵活性、可靠性及寿命应该优于热管散热系统。

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