散熱器是電子產(chǎn)品熱設(shè)計(jì)中最常用到的散熱強(qiáng)化部件。其強(qiáng)化原理是增加換熱面積。同熱設(shè)計(jì)所有部件的設(shè)計(jì)類似，散熱器的優(yōu)化設(shè)計(jì)思路也需要從熱量傳遞的三種基本方式出發(fā)。

當(dāng)電子元器件上方附加散熱器時(shí)，熱量從器件內(nèi)部傳遞到散熱器上，以及熱量在散熱器內(nèi)部的傳遞都屬于熱傳導(dǎo)。經(jīng)典傳熱學(xué)中熱傳導(dǎo)可以用傅里葉導(dǎo)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(dǎo)熱方向截面積，k是導(dǎo)熱系數(shù)。

從上式可以看出，導(dǎo)熱系數(shù)和導(dǎo)熱截面積是熱傳導(dǎo)中影響傳熱效率的兩個(gè)關(guān)鍵變量。

在常見的金屬中，鋁合金和銅合金的導(dǎo)熱效能和經(jīng)濟(jì)性綜合表現(xiàn)是比較好的。因此常見的散熱器材質(zhì)主要是鋁合金和銅合金。

提高導(dǎo)熱系數(shù)是為了降低擴(kuò)散熱阻。擴(kuò)散熱阻尤其在芯片熱流密度較高，或者翅片長(zhǎng)厚比較大時(shí)表現(xiàn)明顯。但材料的導(dǎo)熱系數(shù)提高是有限的，提高散熱器基板厚度、翅片厚度等從導(dǎo)熱截面面積出發(fā)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(chǎng)景就非常有優(yōu)勢(shì)。

熱管和均溫板的具體選用和散熱強(qiáng)化原理會(huì)在第九章詳細(xì)闡述，簡(jiǎn)單來講，可以將其視為一種導(dǎo)熱系數(shù)極高的傳熱部件。在高熱流密度的場(chǎng)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(kuò)散熱阻，優(yōu)化散熱。

 

先來看用來描述對(duì)流換熱的牛頓冷卻定律：

式中，q為傳熱量，h稱為對(duì)流換熱系數(shù)，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(duì)流換熱面積，可以直接強(qiáng)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(jìn)而導(dǎo)致產(chǎn)品整體尺寸變大。這不符合電子產(chǎn)品越來越緊湊的趨勢(shì)。另外，絕大多數(shù)情況下，加大散熱器還意味著散熱成本提升。

當(dāng)空間給定，加大散熱面積還必須要同時(shí)考慮系統(tǒng)風(fēng)阻，因?yàn)榧?xì)密的散熱器在加大散熱面積的同時(shí)，還會(huì)增加風(fēng)阻，影響內(nèi)部空氣流動(dòng)，進(jìn)而降低對(duì)流換熱系數(shù)。要獲得最佳的散熱面積和對(duì)流換熱系數(shù)的綜合最優(yōu)值，需要多次測(cè)試優(yōu)化對(duì)比。

 

除了單純改變散熱器齒間距來獲得更高的對(duì)流換熱系數(shù)，散熱器的斷齒、斜齒、放射齒等，都是在散熱面積與對(duì)流換熱系數(shù)之間做權(quán)衡。通過降風(fēng)阻、間隙吸入冷風(fēng)的效應(yīng)，來優(yōu)化散熱效果。

 

在系統(tǒng)級(jí)的產(chǎn)品設(shè)計(jì)中，結(jié)合整體風(fēng)道，多個(gè)散熱器之間需要相互配合，充分利用系統(tǒng)風(fēng)量，弱化熱級(jí)聯(lián)效應(yīng)。

 

使用自然散熱的電子產(chǎn)品，輻射換熱往往占有不可忽略的比例。當(dāng)散熱器幾何結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)已經(jīng)完成時(shí)，表面處理方式會(huì)顯著影響換熱效果。電子產(chǎn)品工作的溫度范圍內(nèi)，紅外線時(shí)主要的輻射波長(zhǎng)。輻射換熱強(qiáng)度與產(chǎn)品的紅外輻射率成正比。對(duì)于暴露在陽關(guān)下的戶外產(chǎn)品，設(shè)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。

 

由上可知，對(duì)于輻射換熱，表面處理應(yīng)當(dāng)按照如下思路進(jìn)行設(shè)計(jì)：

a)          室內(nèi)產(chǎn)品：結(jié)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(chǎn)品：提高表面紅外輻射率，降低表面可見光輻射率。

假定產(chǎn)品內(nèi)部其它部分設(shè)計(jì)都已定型，從三種基本熱量傳遞方式的角度進(jìn)行歸納，散熱器的主要優(yōu)化思路可總結(jié)如下：

傳熱方式	對(duì)應(yīng)優(yōu)化思路
熱傳導(dǎo)	1.          使用高導(dǎo)熱系數(shù)的材料； 2.          使用熱管/均溫板等均熱部件，降低擴(kuò)散熱阻； 3.          齒厚、基板厚度等影響擴(kuò)散熱阻的散熱器參數(shù)。
對(duì)流換熱	1.          改變齒數(shù)、齒高、基板厚等關(guān)鍵形狀參數(shù)，使得散熱器達(dá)到傳熱面積和流動(dòng)阻力的綜合最優(yōu)值； 2.          散熱齒異形、斷齒、錯(cuò)齒、斜齒設(shè)計(jì)，配合系統(tǒng)風(fēng)道，充分利用產(chǎn)品內(nèi)部空間，提高換熱強(qiáng)度。
輻射換熱	輻射換熱主要影響室內(nèi)自然散熱的產(chǎn)品和室外暴露在陽光下的產(chǎn)品。除了擴(kuò)展散熱器面積，還需要選擇合適的表面處理方式 a)          室內(nèi)產(chǎn)品：結(jié)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(chǎn)品：提高表面紅外輻射率，降低表面可見光輻射率。

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