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从传热理论到实际应用——散热器优化设计思路
时间:2019-07-17 12:38 作者:admin666 来源:
 

 散热器是电子产品热设计中最常用到的散热强化部件。其强化原理是增加换热面积。同热设计所有部件的设计类似,散热器的优化设计思路也需要从热量传递的三种基本方式出发。

1热传导——优化散热器扩散热阻

当电子元器件上方附加散热器时,热量从器件内部传递到散热器上,以及热量在散热器内部的传递都属于热传导。经典传热学中热传导可以用傅里叶导热公式描述:

式中, 表示x方向的热流密度,其单位是 T表示温度。A是导热方向截面积,k是导热系数。

从上式可以看出,导热系数和导热截面积是热传导中影响传热效率的两个关键变量。

在常见的金属中,铝合金和铜合金的导热效能和经济性综合表现是比较好的。因此常见的散热器材质主要是铝合金和铜合金。

材料名称

导热系数

(W/m.K)

材料名称

导热系数

(W/m.K)

99.9%

411

6061型铝合金

155

硬铝4.5%Cu

177

1070型铝合金

226

纯铜

398

黄铜30%Zn

109

铸铝4.5%Cu

163

1050型铝合金

209

315

0.5%C

54

纯铝

237

6063型铝合金

201

提高导热系数是为了降低扩散热阻。扩散热阻尤其在芯片热流密度较高,或者翅片长厚比较大时表现明显。但材料的导热系数提高是有限的,提高散热器基板厚度、翅片厚度等从导热截面面积出发的手段,又受到空间的限制。这样,热管和均温板的使用,在某些热流密度大的场景就非常有优势。

热管和均温板的具体选用和散热强化原理会在第九章详细阐述,简单来讲,可以将其视为一种导热系数极高的传热部件。在高热流密度的场景中,通过在散热器底部镶嵌热管或均温板,可以有效降低扩散热阻,优化散热。

 

2对流换热——强化对流换热效率

先来看用来描述对流换热的牛顿冷却定律:

      

式中,q为传热量,h称为对流换热系数,A为换热面面积,Tw为固体表面温度,Tf为流体温度。

显然,通过提升对流换热面积,可以直接强化换热。但提升换热面积,通常意味着散热器要做的尺寸更大,进而导致产品整体尺寸变大。这不符合电子产品越来越紧凑的趋势。另外,绝大多数情况下,加大散热器还意味着散热成本提升。

当空间给定,加大散热面积还必须要同时考虑系统风阻,因为细密的散热器在加大散热面积的同时,还会增加风阻,影响内部空气流动,进而降低对流换热系数。要获得最佳的散热面积和对流换热系数的综合最优值,需要多次测试优化对比。

 

断齿+倾斜齿设计

除了单纯改变散热器齿间距来获得更高的对流换热系数,散热器的断齿、斜齿、放射齿等,都是在散热面积与对流换热系数之间做权衡。通过降风阻、间隙吸入冷风的效应,来优化散热效果。

 

  断齿设计

在系统级的产品设计中,结合整体风道,多个散热器之间需要相互配合,充分利用系统风量,弱化热级联效应。

 

开花齿

3辐射换热——选择合适的表面处理方式

使用自然散热的电子产品,辐射换热往往占有不可忽略的比例。当散热器几何结构设计已经完成时,表面处理方式会显著影响换热效果。电子产品工作的温度范围内,红外线时主要的辐射波长。辐射换热强度与产品的红外辐射率成正比。对于暴露在阳关下的户外产品,设备表面与太阳之间的辐射换热则与其可见光辐射率成正比。

 

电磁波谱:热辐射造成的波长范围示意

由上可知,对于辐射换热,表面处理应当按照如下思路进行设计:

a)          室内产品:结合散热器的工作温度,提高表面红外辐射率;

b)          散热器暴露在阳光下的产品:提高表面红外辐射率,降低表面可见光辐射率。

 4 小结

假定产品内部其它部分设计都已定型,从三种基本热量传递方式的角度进行归纳,散热器的主要优化思路可总结如下:

传热方式

对应优化思路

热传导

1.          使用高导热系数的材料;

2.          使用热管/均温板等均热部件,降低扩散热阻;

3.          齿厚、基板厚度等影响扩散热阻的散热器参数。

对流换热

1.          改变齿数、齿高、基板厚等关键形状参数,使得散热器达到传热面积和流动阻力的综合最优值;

2.          散热齿异形、断齿、错齿、斜齿设计,配合系统风道,充分利用产品内部空间,提高换热强度。

辐射换热

辐射换热主要影响室内自然散热的产品和室外暴露在阳光下的产品。除了扩展散热器面积,还需要选择合适的表面处理方式

a)          室内产品:结合散热器的工作温度,提高表面红外辐射率;

b)          散热器暴露在阳光下的产品:提高表面红外辐射率,降低表面可见光辐射率。

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