一、散热器的作用

    1、散热元件的保护

一个工作中的电力电子器件本身要发热，而且一般来讲功率越大发热量越大，如果不能及时把热量散掉,器件温度升到一定程度,就会失效或烧掉。“散热器”的作用就是把器件产生的热量带走，通过把器件的发热面与散热器平面紧贴一起，使热量从器件传到温度较低的散热器上，然后通过流动介质把热量带走。

    2、其他元件的保护

    尽管随着宽禁带半导体的出现，功率元件的工作温度逐步提高，但还是需要散热，而且考虑柜内其他元件（包括塑料器件以及箱体涂料等）的正常工作、周围工作环境及操作人员安全，散热器是不可或缺的。

二、传热学原理

    传热的基本过程包括：导热/对流/传热 

    导热            对流           辐

1、导热的特点 

a. 必须有温差；

b. 物体直接接触；

c. 依靠分子、原子及自由电子等微观粒子热运动而传递热量；

d. 一般只发生在密实的固体或静止的液体气体中。

e. 导热系数:材质影响

f. 接触热阻:导热硅胶,插接

g. 结垢热阻：散热器表面结垢造成的热阻

2、对流的特点

a. 流体中（气体或液体）温度不同的各部分之间，由于发生相对的宏观运动而把热量由一处传递到另一处的现象。

b. 对流散热量与散热面积和传热系数成正比,而传热系数与介质的流速成正比，下面是对流传热系数的计算公式

其中： L为散热器长；A为表面积； us为风速；所用单位： A：米2、L：米、us： 米/秒

如下图所示散热器的热阻随着风速的增加而降低，随着散热器长度的增加（即散热面积）的增加同样降低

      3、热辐射的特点

a. 任何物体都会不停地向周围空间发出热辐射

b. 可以在真空中传播

c. 伴随能量形式的转变

d. 具有强烈的方向性

e. 辐射能与温度和波长均有关

f. 辐射取决于温度的4次方

三、散热器的热阻组成：

 散热器热阻=导热热阻+接触热阻+结垢热阻+对流热阻+辐射热阻

 1、导热热阻：主要取决于材质，常用铝合金散热器的导热系数为201 (W/m.K)

 2、接触热阻:表面加工精度,压紧力,导热硅胶

 3、结垢热阻:污垢造成,空气环境,表面处理,疏水涂层

 4、对流热阻:风速,风道,风量,风阻

 5、辐射热阻:发射率,材质,表面,专用涂层

对于铝合金强制风冷散热器来讲，导热系数相同，导热热阻变化不大；由于风道的遮挡使得辐射散热量相对其他散热很小，可以忽略不计；结垢热阻主要与使用环境有关，而且在使用一段时间以后才会出现；所以降低散热器的热阻主要是降低接触热阻和对流热阻

四、散热器的冷却方式：

    1、自然对流:通过空气的自然对流实现冷却的散热方式

    2、风冷:通过加装风扇、风道等强制对流的方式，加大器件的散热量        

    3、液冷：通过水或其他冷却液的循环将热量带走的散热方式，特点散热量大.缺点：冷却水一般需要循环冷却设备，维护保养工作量较大,一些环境条件下不适用

    4、相变：可实现热量的快速转移，但散热速度受远端散热装置制约

不同散热方式的传热系数量级，因此，从经济性、可靠性已经加工工艺分析，风冷散热器是最常用的

五、风冷散热器的主要结构

    1、整体挤压铝型材式

采用建筑用铝型材加工工艺，即把合金铝锭用热挤压办法通过模具挤压加工成型。其优点是加工后材质均匀致密，外形尺寸一致。为提高散热效率可通过氧化、着色工艺增加热辐射，同时提高表面抗腐蚀能力。由于材料不存在拼接，散热器内部导热均匀、热导率高。同样尺寸、同样材质、同样外形的散热器相比，其热阻最小。

整体挤压铝型材式新技术的应用：

a. 由于工艺、设备的改进,尺寸方面突破了挤压机吨位的瓶颈 ,单块散热器的尺寸可达1m*1m

b. 一些要求高密齿的断面也可以通过FSW工艺实现 ,但从肋片效率和风阻热阻方面综合考虑，FIN PIN比不应大于16，否则其性价比明显降低

2、半挤压铝型材、半插片式挤压部分片距两倍于设计尺寸，然后用插片方法再把一片铝片插在其间，并用压力机压紧固定因为一半左右翅片是插上的，尽管压得很紧，铝片与底板还不是一体的，所以导热系数不如一体的。相比之下，热阻比纯挤压铝型材偏大

3、翅片拼接式

先做翅片，然后把翅片根部叠在一起，由于根部有咬合缺口，经压力加工压紧，咬合缺口互相紧密咬合成为一体，这种工艺可做成任意宽度、较高翅片的散热器。问题是片与片之间是分体的，导热阻力大。在散热器底板平面上，装有电力电子器件的覆盖部分导热较好，覆盖以外部分需要通过片与片接触部分把热导出来，此时的接触部分的较大的接触热阻会使导热系数大幅降低

4、插片式

它是由底板和若干翅片组成。底板一侧先铣上插片槽，把翅片一端用镶嵌方法插入插片槽内并压紧。优点是散热器设计多大都行，不受尺寸限制。此种散热器只有铝片端部很少部分插入底板，接触导热面积有限，如加工时插得不紧，热阻就会偏大。另外当设计翅片数量较多时由于不能保证每次或每片铝片插入加工条件一致，因此热阻参数一致性也差。另外还有加工成本高 、插片易歪斜脱落 、缝隙油污不易清洗,容易积存酸碱造成腐蚀等缺点

      通过上述综合分析，从一致性、可靠性、经济性、加工性分析，整体挤压铝型材式散热器是最佳选择，特别是在高铁、电动汽车等震动较大，安全要求较高的行业，已明确要求使用整体挤压铝型材式散热器

六、如何保证产品的性能可靠

大家都知道，造成产品质量的波动的原因主要有6个因素：

1. 人（Man/Manpower）：操作者对质量的认识、技术熟练程度、身体状况等

2. 机器（Machine）：机器设备、工夹具的精度和维护保养状况等

3. 材料（Material）：材料的成分、物理性能和化学性能等

4. 方法（Method）：包括加工工艺、工装选择、操作规程等；

5. 测量（Measurement）：检验、测量

6. 环境（Environment）工作地的环境条件等

由于五个因素的英文名称的第一个字母是M和一个是E，所以常简称为5M1E

综合分析上述六个因素，工艺是灵魂，设备是保证先进工艺的基础设备作为保证产品质量、提高产品可靠性的基础，起着十分重要的作用，自动化程度高、生产效率高、工艺先进、配套齐全的铝合金风冷散热器生产线设备主要包括：铝型材挤压机、加工中心、搅拌摩擦焊机、超声波清洗设备等为减少热阻、散热器与发热器件之间的接触面要求光洁度高，而且表面不得有油污和其他污垢，而传统的酸洗的方法容易造成表面的损伤以及酸碱残留会对散热器造成长期损伤，因此超声清洗设备对产品的质量是非常重要的

挤压生产线

加工中心

         搅拌摩擦焊（FSW)

超声波清洗线

    结论：铝合金整体挤压风冷散热器在降低热阻，产品的一致性、可靠性、经济性方面具有其他结构散热器不可比拟的优越性，铝合金挤压工艺的突破和FSW工艺的成熟，大尺寸高倍齿整体散热器生产成为可能，且正在取代其他结构散热器，设备保证是保证散热器可靠性的基础。

参考文献

[1]张洪武，廖爱华，张昭，陈金涛.具有界面热阻的接触传热耦合问题的数值模拟.机械强度2004, 26(4):393～ 399.

[2]JB/T 9684-2000.中华人民共和国机械行业标准.电力半导体器件用散热器选用导则.2000.

[3]张平，宣益民，李强.界面接触热阻的研究进展.化工学报.第63卷第2期.2012年2月.

编辑：《电源工业》杂志