散热防热在结构设计中的应用

根据热传导的途径来说,散热相应有以下三种主要方式:

一、散热片导热式散热

1、良好接触面:要求发热件与散热片要有良好接触,尽可能降低接触热阻,所以最好有大的接触面,接触面还需要有较高的光洁度,为了弥补因接触面的粗糙而导致的贴合不良,可以在中间涂抹导热脂,可以有效降低接触热阻;

2、良好的导热材料:铜、铝都有较好的导热性能,铜的导热系数虽然优于铝,但铜有密度太高、价格贵的缺点,所以实际应用中铝材是应用最多;

3、散热片固定方式:这个也是比较重要的一环,如果不能把发热件与散热片良好接触,也是无法有效把热量传导到散热器上的,应用中有直接用螺丝钉紧固的,也有用弹簧片压固的,可以根据需要选择设计,需要说明的是,有些功率器件和散热片之间有绝缘要求,中间选用的绝缘材料就一定要选用低热阻的材料,比如:聚脂薄膜、云母片等,实际安装中还要注意固定位置应使用受力均匀分布;

4、散热片的形状:包括页片与基材的形状尺寸,要有尽可能加大散热表面积,这样散热片的热量才能快速与周围空气对流,比如说增加页片数目、在页片上做波浪纹都是好办法;基材要厚一些比较好,长而薄的散热片效率很差,在远端基本上是不起作用的了;

二、对流散热

1、自然对流:发热器件或者散热片的热量可以是依靠自然对流散热,这样的话,发热件或者散热片最好以长边取为垂直方向为佳,而且要尽量使散热片的横断面与水平面方向平行,因为热空气是上升的,这样才比较有利于空气流通,象单面页片式的散热器就比较适合安装在机体背板以自然对流方式散热;

2、强制对流:采用风扇强制吸、排的方式拉动一个风场来加强空气对流,是比较有效的散热方式,可以根据需要选择合适的风扇规格与数目,在设计上要注意的有这么几点:

A、各风扇风场方向要一致,不要互相打架,否则效率肯定大打折扣,对机箱内部来说最好有相应的进风口与出风口;

B、采用强制风冷时,对于页片式散热片来说,要使页片方向与风道气流方向一致

c、机箱上要根据风场的需要留出相应的散热孔,散热孔并非越多、越大就越好,首先散热孔的大小根据不同的安规等级有相应限制,还要考虑EMI的要求(可以参考一下附图);另外,重为重要的是:散热孔的分布要与风道气流的流向吻合,

三、辐射散热

这种散热方式给设计者留出的空间相对较少,对于发热器件与散热片来说,表面光洁度越高,辐射效率越差,所以比较廉价而且较有效的一个手段是把铝型材散热器表面做氧化处理,这层氧化层可以大大改善辐射效率(比如,一个表面研磨光洁的散热片,表面辐射率可能在0.1左右,做过氧化处理后,辐射率的值可以升高到1)

当然现在还有其他多种多样的散热方式,如液体致冷,蒸发冷却,半导体制冷,热管传热等,但基本思路都是围绕这几方面来考虑的。

此外,防热设计主要从合理布置元器件,合理排布印刷电路板,合理安排机箱内部结构件三个方面来考虑。

散热又和电磁兼容好象很冲突,怎样更好的解决这个问题呢?

对于thermal来说孔越大越好,全开最好;EMI则要求孔越小越好,不开最好,同时考虑到防护等级,一般散热孔都是条状;简单讲就是:开小孔;多开孔。

 

防水产品的散热一般通过灌胶来处理。

 

对于散热,如果散热片够用的话绝不用风扇,因为风扇要取电,而且容易坏。

 

密封产品的散热,比较直接的方法是在内部形成风路风道,使发热元件的热尽量在内部分散开,也可以直接把发热元件铁在机箱内壁,或者通过比较好的传导热器件进行传导到机箱上(市面上有比铜传热更快的多的器件)

 

电热器具通常是这样进行散热的。于器具底部开进风栅,利用热风上流的特性,只要在器具的上部也设置相应的通风口,便形成一套很有效率的自下而上的对流系统了。很多电器把线路板设在底部进风栅的上面,以此对IC及变压器等元件进行降温。

 

视频产品的结构设计,在散热片和芯片之间必须涂导热硅胶(类似牙膏),这个可以增加散热效果,因为
导热硅胶可以将散热片和芯片之间的缝隙填平,增加了传导的效果。另外在散热片侧面装一个风机(最好是带信号控制线的哪种)

 

做大尺寸液晶显示器产品其液晶在高温下很容易老化,屏幕上出现一大块一大块的坏点,可以通过加装风机来解决的;根据实验结果,加风机后显示器内部湿度很环境温度只差三度左右,如果不加温差有十五度左右,所以效果是很明显的;采用的从机箱底部进风,风机安装在机箱上部,抽风。

 

机箱上面的开孔要与风机的方向在同一直线上,这样空气的流动路线最短,但在风机与机箱的散热孔之间最好不要有元器件,它们会影响空气的流动。其实风道的设计是很复杂的,但只要在50度的环境下连续运行48小时机器仍然能正常工作,说明您的设计就是正确的,优秀的。

 

机壳的热设计
电子设备的机壳是接受设备内部热量,并通过他将热量散发到周围环境的一个重要热传导环节。机壳的热设计在采用自然散热和一些密闭性的电子设备中显得格外重要。由试验证明,不同结构形式和涂覆处理的散热效果差异较大,经验证明:
1。增加机壳内外表面的黑度,开通风孔(百叶窗)等都能降低电子设备内部元器件的温度。
2.机壳内外表面高黑度的散热效果比两侧开百叶窗的自然风冷对流效果好。内外表面高黑度时,内部平均降温20度左右,而两侧开百叶窗时(内外表面光亮),其温度只降8度左右。
3.机壳内外表面高黑度的散热效果比单面高黑度的效果好,特别是提高外表面的黑度时降低机壳表面温度的有效办法。
4。在机壳内外表面黑化基础上,合理的改进通风结构,加强空气对流,可以明显降低设备的内外温度。
5。通风口的位置应注意其流短路而影响散热效果,通风口的进出口应设在温差最大的两处,进风口要低,出风口要高。风口要接近发热元件,使冷空气直接起到冷却元件的作用。
6.在自然散热时,通风孔面积计算很重要。可根据设备需由通风口的散热两计算:         S0=Q/7.4*10^5*H*t

其中:S0为进风口或出风口的种面积 cm^2
Q为通风孔自然散热的热量(设备的总功耗减去壁面自然对流和辐射散去的热量)w
H 为进出风口的高度差 cm
t=t2-t1 设备内部空气温度t2与外部空气温度t1之差
7。通风口的结构形式很多,由金属网,百叶窗等等,设计时要根据散热需要,既要结构简单,不易落灰,又要能满足强度,电磁兼容性要求和美观大方。
8。密封机壳的散热主要靠对流和辐射决定与机壳表面积和黑度,可以通过减少发热器件与机壳的传导热阻,加强内部空气对流(如风机)增加机壳表面积(设散热筋片)和机壳表面黑度等来降低内部环境温度。

 

热分析模拟软件

anysys , pro-mechanicar 結構模擬
flothem  IcePak           熱流電子模擬
star-CD , star-LT          流體模擬

一般目前流行這些,國內剛開始;從經驗設計轉化向分析設計,做散熱模擬用的是  IcePak

在ICEPAK仿真测试中一般选择
emissivity=0.09( Al-commercial-surface)
emissivity=0.35(Paint-Al surface)
emissivity=0.98(paint-black parsons)

给大家推荐一种更牛的散热方式:Panasonic最正宗的Toughbook系列中的拳头产品CF-29散热
众所周知,热量的传导方式有,辐射,传导,对流三种,大多数笔记本采用的都是风冷方式,风冷方式本来无可厚非,可是却会引入几个新的问题.
一是能量的消耗,一般一个风扇的能耗在0.4W到1W之间,笔记本用电池能量是极其宝贵的一般一个电池的总容量在24W到70W之间,高级一点的风扇采用温控机制可以省一些电但实际情况是风扇一旦转起来就不会停下来了,省电效果极为有限;
二是噪音的增加,这在新机器上还好一点,随着使用时间的延长风扇转轴的磨损噪声也就与日俱增;
三是灰尘的引入,空气的对流势必会引入灰尘,灰尘积聚在散热片上达不到良好的散热效果。

因此可以完全抛弃主动式风冷的方式采用被动式的散热,当然不是,这里提供秘密武器——热管。图1
热管是现在比较热门的玩艺,君不见某某显卡竟然用热管散热器来当卖点,殊不知热管在笔记本家族中已经有些年头了,不过当时由于成本较高只能用在笔记本这种奢侈品中现在开始在台式机的市场上攻城掠地了。热管的原理也就是在一条抽成负压的铜管子里面放入一些低沸点液体,热管一端受热的时候液体因为气压高沸点低也就蒸发,蒸发是会吸收大量的热的,而在热管的另一头遇冷气体就冷凝变回液体并由于毛细孔作用回流到另一端,循环往复(图2)。
由图1可以看出,笔记本的显卡和CPU的热量由两条热管负责将热量分配到整个底座,从而将两点热源变成五点热源,五点热源的温度大致相等从而达到了分散热量不至过度集中的目的。从图中我们可以看到整机设计的时候对热量的分布是十分之均匀的,键盘左方是CPU的一点热源分支,而键盘右边是发热量比较大的PCMCIA插槽,同样的掌托左便是CPU的另外一点热源分支,而右边则是键盘,这样的安排使的键盘和掌托局部都不至于过热,而是否过热是影响手感和舒适度的一大关键。从图中我们也可以看到热管的两端都被厚厚的铜片紧密的压着,铜的导热特性要比铝好,热管也是铜做的,而且厚铜块更利于热量的扩散。CPU和铜块之间并不是直接相连的,因为一来铜块的表面要打磨成十分光滑的镜面效果才能保证妥贴接触,二来主板和底座靠螺钉紧固如果螺钉稍微松动导致铜块和CPU不能良好的接触后果堪逾。因此CPU和铜矿之间是通过一片导热胶来完成热量传输的。既然热管导热能力如此优良为什么还要用两条(好像武功如此高强,一剑封喉何必用第二剑?)这是因为热管在每个拐角处都会损失30%左右的效率。除了热管以外,CPU上直接覆盖的铝制散热片还通过一条向上的分支紧贴键盘下面的大块铝板(图3)。
也许会有人怀疑这种无风扇设计的被动式散热的可靠性,实践证明了在环境温度32度的情况下连续观看RMVB电影CPU占用率在90%到100%之间1个小时后CPU温度在65度,比IBM600系列等一些相同配置采用风扇的机型还要低。

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