散热器设计的理论原理

散热器是电子产品热设计中最常用到的散热强化部件。电子产品热设计的根本在于:在相同的空间尺寸中,实现最高效的热量传递。我们知道,热量的传递有三种基本方式,而这三种基本方式中,传热面积都是基本因素之一。作为热设计中的重要部件,散热器强化换热的原理便是增加换热面积。因此,我们常见的散热器的形态通常是翅片、针肋形的。

散热器设计的理论原理

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)

银99.9%4116061型铝合金155
硬铝4.5%Cu1771070型铝合金226
纯铜398黄铜30%Zn109
铸铝4.5%Cu1631050型铝合金209
315钢0.5%C54
纯铝2376063型铝合金

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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。

散热器设计的理论原理

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。

散热器设计的理论原理

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。

散热器设计的理论原理

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。

散热器设计的理论原理

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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