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        散熱器優化設計思路-從傳熱理論到實際應用

        標簽:散熱器優化設計思路從傳熱理論到實際應用 閱讀:836次
             電子散熱器是電子產品熱設計中最常用到的散熱強化部件。其強化原理是增加換熱面積。同熱設計所有部件的設計類似,散熱器的優化設計思路也需要從熱量傳遞的三種基本方式出發。
            1.熱傳導——優化散熱器擴散熱阻
            當電子元器件上方附加散熱器時,熱量從器件內部傳遞到散熱器上,以及熱量在散熱器內部的傳遞都屬于熱傳導。經典傳熱學中熱傳導可以用傅里葉導熱公式描述:
           式中, 表示x方向的熱流密度,其單位是 。T表示溫度。A是導熱方向截面積,k是導熱系數。
           從上式可以看出,導熱系數和導熱截面積是熱傳導中影響傳熱效率的兩個關鍵變量。
           在常見的金屬中,鋁合金和銅合金的導熱效能和經濟性綜合表現是比較好的。因此常見的散熱器材質主要是鋁合金和銅合金。
        材料名稱 導熱系數 (W/m.K) 材料名稱 導熱系數 (W/m.K)
        銀99.9% 411 6061型鋁合金 155
        硬鋁4.5%Cu 177 1070型鋁合金 226
        純銅 398 黃銅30%Zn 109
        鑄鋁4.5%Cu 163 1050型鋁合金 209
        315 鋼0.5%C 54
        純鋁 237 6063型鋁合金 201

            提高導熱系數是為了降低擴散熱阻。擴散熱阻尤其在芯片熱流密度較高,或者翅片長厚比較大時表現明顯。但材料的導熱系數提高是有限的,提高散熱器基板厚度、翅片厚度等從導熱截面面積出發的手段,又受到空間的限制。這樣,熱管和均溫板的使用,在某些熱流密度大的場景就非常有優勢。
            熱管和均溫板的具體選用和散熱強化原理,簡單來講,可以將其視為一種導熱系數極高的傳熱部件。在高熱流密度的場景中,通過在散熱器底部鑲嵌熱管或均溫板,可以有效降低擴散熱阻,優化散熱。
           2.對流換熱——強化對流換熱效率
           先來看用來描述對流換熱的牛頓冷卻定律:

           式中,q為傳熱量,h稱為對流換熱系數,A為換熱面面積,Tw為固體表面溫度,Tf為流體溫度。
            顯然,通過提升對流換熱面積,可以直接強化換熱。但提升換熱面積,通常意味著散熱器要做的尺寸更大,進而導致產品整體尺寸變大。這不符合電子產品越來越緊湊的趨勢。另外,絕大多數情況下,加大散熱器還意味著散熱成本提升。

            當空間給定,加大散熱面積還必須要同時考慮系統風阻,因為細密的散熱器在加大散熱面積的同時,還會增加風阻,影響內部空氣流動,進而降低對流換熱系數。要獲得最佳的散熱面積和對流換熱系數的綜合最優值,需要多次測試優化對比。

        電子散熱器斷齒+傾斜齒設計
        電子散熱器斷齒+傾斜齒設計

            除了單純改變散熱器齒間距來獲得更高的對流換熱系數,散熱器的斷齒、斜齒、放射齒等,都是在散熱面積與對流換熱系數之間做權衡。通過降風阻、間隙吸入冷風的效應,來優化散熱效果。

        電子散熱器斷齒設計
        電子散熱器斷齒設計

            在系統級的產品設計中,結合整體風道,多個散熱器之間需要相互配合,充分利用系統風量,弱化熱級聯效應。

        電子散熱器開花齒
        電子散熱器開花齒

           3.輻射換熱——選擇合適的表面處理方式
            使用自然散熱的電子產品,輻射換熱往往占有不可忽略的比例。當散熱器幾何結構設計已經完成時,表面處理方式會顯著影響換熱效果。電子產品工作的溫度范圍內,紅外線時主要的輻射波長。輻射換熱強度與產品的紅外輻射率成正比。對于暴露在陽關下的戶外產品,設備表面與太陽之間的輻射換熱則與其可見光輻射率成正比。
        電磁波譜-熱輻射造成的波長范圍示意

        電磁波譜:熱輻射造成的波長范圍示意

           由上可知,對于輻射換熱,表面處理應當按照如下思路進行設計:
           a)室內產品:結合散熱器的工作溫度,提高表面紅外輻射率;
           b)散熱器暴露在陽光下的產品:提高表面紅外輻射率,降低表面可見光輻射率。
            4 .小結
           假定產品內部其它部分設計都已定型,從三種基本熱量傳遞方式的角度進行歸納,散熱器的主要優化思路可總結如下:

        傳熱方式 對應優化思路
        熱傳導 1. 使用高導熱系數的材料;
        2.使用熱管/均溫板等均熱部件,降低擴散熱阻;
        3.齒厚、基板厚度等影響擴散熱阻的散熱器參數。
        對流換熱 1.改變齒數、齒高、基板厚等關鍵形狀參數,使得散熱器達到傳熱面積和流動阻力的綜合最優值;
        2.散熱齒異形、斷齒、錯齒、斜齒設計,配合系統風道,充分利用產品內部空間,提高換熱強度。
        輻射換熱 輻射換熱主要影響室內自然散熱的產品和室外暴露在陽光下的產品。除了擴展散熱器面積,還需要選擇合適的表面處理方式
        a)室內產品:結合散熱器的工作溫度,提高表面紅外輻射率;
        b)散熱器暴露在陽光下的產品:提高表面紅外輻射率,降低表面可見光輻射率。

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