散熱防熱在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

admin 2011-08-26

散熱防熱在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用
根據(jù)熱傳導(dǎo)的途徑來說，散熱相應(yīng)有以下三種主要方式：
一、散熱片導(dǎo)熱式散熱
1、良好接觸面：要求發(fā)熱件與散熱片要有良好接觸，盡可能降低接觸熱阻，所以最好有大的接觸面，接觸面還需要有較高的光潔度，為了彌補(bǔ)因接觸面的粗糙而導(dǎo)致的貼合不良，可以在中間涂抹導(dǎo)熱脂，可以有效降低接觸熱阻；
2、良好的導(dǎo)熱材料：銅、鋁都有較好的導(dǎo)熱性能，銅的導(dǎo)熱系數(shù)雖然優(yōu)于鋁，但銅有密度太高、價(jià)格貴的缺點(diǎn)，所以實(shí)際應(yīng)用中鋁材是應(yīng)用最多；
3、散熱片固定方式：這個(gè)也是比較重要的一環(huán)，如果不能把發(fā)熱件與散熱片良好接觸，也是無法有效把熱量傳導(dǎo)到散熱器上的，應(yīng)用中有直接用螺絲釘緊固的，也有用彈簧片壓固的，可以根據(jù)需要選擇設(shè)計(jì)，需要說明的是，有些功率器件和散熱片之間有絕緣要求，中間選用的絕緣材料就一定要選用低熱阻的材料，比如：聚脂薄膜、云母片等，實(shí)際安裝中還要注意固定位置應(yīng)使用受力均勻分布；
4、散熱片的形狀：包括頁片與基材的形狀尺寸，要有盡可能加大散熱表面積，這樣散熱片的熱量才能快速與周圍空氣對(duì)流，比如說增加頁片數(shù)目、在頁片上做波浪紋都是好辦法；基材要厚一些比較好，長而薄的散熱片效率很差，在遠(yuǎn)端基本上是不起作用的了；
二、對(duì)流散熱
1、自然對(duì)流：發(fā)熱器件或者散熱片的熱量可以是依靠自然對(duì)流散熱，這樣的話，發(fā)熱件或者散熱片最好以長邊取為垂直方向?yàn)榧?，而且要盡量使散熱片的橫斷面與水平面方向平行，因?yàn)闊峥諝馐巧仙?，這樣才比較有利于空氣流通，象單面頁片式的散熱器就比較適合安裝在機(jī)體背板以自然對(duì)流方式散熱；
2、強(qiáng)制對(duì)流：采用風(fēng)扇強(qiáng)制吸、排的方式拉動(dòng)一個(gè)風(fēng)場來加強(qiáng)空氣對(duì)流，是比較有效的散熱方式，可以根據(jù)需要選擇合適的風(fēng)扇規(guī)格與數(shù)目，在設(shè)計(jì)上要注意的有這么幾點(diǎn)：
A、各風(fēng)扇風(fēng)場方向要一致，不要互相打架，否則效率肯定大打折扣，對(duì)機(jī)箱內(nèi)部來說最好有相應(yīng)的進(jìn)風(fēng)口與出風(fēng)口；
B、采用強(qiáng)制風(fēng)冷時(shí)，對(duì)于頁片式散熱片來說，要使頁片方向與風(fēng)道氣流方向一致
c、機(jī)箱上要根據(jù)風(fēng)場的需要留出相應(yīng)的散熱孔，散熱孔并非越多、越大就越好，首先散熱孔的大小根據(jù)不同的安規(guī)等級(jí)有相應(yīng)限制，還要考慮EMI的要求（可以參考一下附圖）；另外，重為重要的是：散熱孔的分布要與風(fēng)道氣流的流向吻合，

三、輻射散熱
這種散熱方式給設(shè)計(jì)者留出的空間相對(duì)較少，對(duì)于發(fā)熱器件與散熱片來說，表面光潔度越高，輻射效率越差，所以比較廉價(jià)而且較有效的一個(gè)手段是把鋁型材散熱器表面做氧化處理，這層氧化層可以大大改善輻射效率（比如，一個(gè)表面研磨光潔的散熱片，表面輻射率可能在0.1左右，做過氧化處理后，輻射率的值可以升高到1）
當(dāng)然現(xiàn)在還有其他多種多樣的散熱方式，如液體致冷，蒸發(fā)冷卻，半導(dǎo)體制冷，熱管傳熱等，但基本思路都是圍繞這幾方面來考慮的。
此外，防熱設(shè)計(jì)主要從合理布置元器件，合理排布印刷電路板，合理安排機(jī)箱內(nèi)部結(jié)構(gòu)件三個(gè)方面來考慮。
散熱又和電磁兼容好象很沖突，怎樣更好的解決這個(gè)問題呢？
對(duì)于thermal來說孔越大越好，全開最好；EMI則要求孔越小越好，不開最好，同時(shí)考慮到防護(hù)等級(jí)，一般散熱孔都是條狀；簡單講就是：開小孔；多開孔。

防水產(chǎn)品的散熱一般通過灌膠來處理。
對(duì)于散熱，如果散熱片夠用的話絕不用風(fēng)扇，因?yàn)轱L(fēng)扇要取電,而且容易壞。
密封產(chǎn)品的散熱，比較直接的方法是在內(nèi)部形成風(fēng)路風(fēng)道，使發(fā)熱元件的熱盡量在內(nèi)部分散開，也可以直接把發(fā)熱元件鐵在機(jī)箱內(nèi)壁，或者通過比較好的傳導(dǎo)熱器件進(jìn)行傳導(dǎo)到機(jī)箱上（市面上有比銅傳熱更快的多的器件）
電熱器具通常是這樣進(jìn)行散熱的。于器具底部開進(jìn)風(fēng)柵，利用熱風(fēng)上流的特性，只要在器具的上部也設(shè)置相應(yīng)的通風(fēng)口，便形成一套很有效率的自下而上的對(duì)流系統(tǒng)了。很多電器把線路板設(shè)在底部進(jìn)風(fēng)柵的上面，以此對(duì)IC及變壓器等元件進(jìn)行降溫。
視頻產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，在散熱片和芯片之間必須涂導(dǎo)熱硅膠(類似牙膏)，這個(gè)可以增加散熱效果，因?yàn)?導(dǎo)熱硅膠可以將散熱片和芯片之間的縫隙填平，增加了傳導(dǎo)的效果。另外在散熱片側(cè)面裝一個(gè)風(fēng)機(jī)(最好是帶信號(hào)控制線的哪種)
做大尺寸液晶顯示器產(chǎn)品其液晶在高溫下很容易老化，屏幕上出現(xiàn)一大塊一大塊的壞點(diǎn)，可以通過加裝風(fēng)機(jī)來解決的；根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，加風(fēng)機(jī)后顯示器內(nèi)部濕度很環(huán)境溫度只差三度左右，如果不加溫差有十五度左右，所以效果是很明顯的；采用的從機(jī)箱底部進(jìn)風(fēng)，風(fēng)機(jī)安裝在機(jī)箱上部，抽風(fēng)。

機(jī)箱上面的開孔要與風(fēng)機(jī)的方向在同一直線上，這樣空氣的流動(dòng)路線最短，但在風(fēng)機(jī)與機(jī)箱的散熱孔之間最好不要有元器件，它們會(huì)影響空氣的流動(dòng)。其實(shí)風(fēng)道的設(shè)計(jì)是很復(fù)雜的，但只要在50度的環(huán)境下連續(xù)運(yùn)行48小時(shí)機(jī)器仍然能正常工作，說明您的設(shè)計(jì)就是正確的，優(yōu)秀的。
機(jī)殼的熱設(shè)計(jì) 電子設(shè)備的機(jī)殼是接受設(shè)備內(nèi)部熱量，并通過他將熱量散發(fā)到周圍環(huán)境的一個(gè)重要熱傳導(dǎo)環(huán)節(jié)。機(jī)殼的熱設(shè)計(jì)在采用自然散熱和一些密閉性的電子設(shè)備中顯得格外重要。由試驗(yàn)證明，不同結(jié)構(gòu)形式和涂覆處理的散熱效果差異較大，經(jīng)驗(yàn)證明： 1。增加機(jī)殼內(nèi)外表面的黑度，開通風(fēng)孔（百葉窗）等都能降低電子設(shè)備內(nèi)部元器件的溫度。 2.機(jī)殼內(nèi)外表面高黑度的散熱效果比兩側(cè)開百葉窗的自然風(fēng)冷對(duì)流效果好。內(nèi)外表面高黑度時(shí)，內(nèi)部平均降溫20度左右，而兩側(cè)開百葉窗時(shí)（內(nèi)外表面光亮），其溫度只降8度左右。 3.機(jī)殼內(nèi)外表面高黑度的散熱效果比單面高黑度的效果好，特別是提高外表面的黑度時(shí)降低機(jī)殼表面溫度的有效辦法。 4。在機(jī)殼內(nèi)外表面黑化基礎(chǔ)上，合理的改進(jìn)通風(fēng)結(jié)構(gòu)，加強(qiáng)空氣對(duì)流，可以明顯降低設(shè)備的內(nèi)外溫度。 5。通風(fēng)口的位置應(yīng)注意其流短路而影響散熱效果，通風(fēng)口的進(jìn)出口應(yīng)設(shè)在溫差最大的兩處，進(jìn)風(fēng)口要低，出風(fēng)口要高。風(fēng)口要接近發(fā)熱元件，使冷空氣直接起到冷卻元件的作用。 6.在自然散熱時(shí)，通風(fēng)孔面積計(jì)算很重要?？筛鶕?jù)設(shè)備需由通風(fēng)口的散熱兩計(jì)算： S0=Q/7.4*10^5*H*t

其中：S0為進(jìn)風(fēng)口或出風(fēng)口的種面積 cm^2 Q為通風(fēng)孔自然散熱的熱量（設(shè)備的總功耗減去壁面自然對(duì)流和輻射散去的熱量）w H 為進(jìn)出風(fēng)口的高度差 cm t=t2-t1 設(shè)備內(nèi)部空氣溫度t2與外部空氣溫度t1之差 7。通風(fēng)口的結(jié)構(gòu)形式很多，由金屬網(wǎng)，百葉窗等等，設(shè)計(jì)時(shí)要根據(jù)散熱需要，既要結(jié)構(gòu)簡單，不易落灰，又要能滿足強(qiáng)度，電磁兼容性要求和美觀大方。熱設(shè)計(jì) http://www.0532yewu.com
8。密封機(jī)殼的散熱主要靠對(duì)流和輻射決定與機(jī)殼表面積和黑度，可以通過減少發(fā)熱器件與機(jī)殼的傳導(dǎo)熱阻，加強(qiáng)內(nèi)部空氣對(duì)流（如風(fēng)機(jī)）增加機(jī)殼表面積（設(shè)散熱筋片）和機(jī)殼表面黑度等來降低內(nèi)部環(huán)境溫度。
熱分析模擬軟件anysys , pro-mechanicar 結(jié)構(gòu)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(nèi)剛開始；從經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)化向分析設(shè)計(jì)，做散熱模擬用的是 IcePak
在ICEPAK仿真測試中一般選擇 emissivity=0.09( Al-commercial-surface) emissivity=0.35(Paint-Al surface) emissivity=0.98(paint-black parsons)

給大家推薦一種更牛的散熱方式:Panasonic最正宗的Toughbook系列中的拳頭產(chǎn)品CF-29散熱眾所周知，熱量的傳導(dǎo)方式有，輻射，傳導(dǎo)，對(duì)流三種，大多數(shù)筆記本采用的都是風(fēng)冷方式，風(fēng)冷方式本來無可厚非，可是卻會(huì)引入幾個(gè)新的問題. 一是能量的消耗，一般一個(gè)風(fēng)扇的能耗在0.4W到1W之間，筆記本用電池能量是極其寶貴的一般一個(gè)電池的總?cè)萘吭?4W到70W之間，高級(jí)一點(diǎn)的風(fēng)扇采用溫控機(jī)制可以省一些電但實(shí)際情況是風(fēng)扇一旦轉(zhuǎn)起來就不會(huì)停下來了，省電效果極為有限；二是噪音的增加，這在新機(jī)器上還好一點(diǎn)，隨著使用時(shí)間的延長風(fēng)扇轉(zhuǎn)軸的磨損噪聲也就與日俱增；三是灰塵的引入，空氣的對(duì)流勢必會(huì)引入灰塵，灰塵積聚在散熱片上達(dá)不到良好的散熱效果。

因此可以完全拋棄主動(dòng)式風(fēng)冷的方式采用被動(dòng)式的散熱，當(dāng)然不是，這里提供秘密武器——熱管。圖1 熱管是現(xiàn)在比較熱門的玩藝，君不見某某顯卡竟然用熱管散熱器來當(dāng)賣點(diǎn)，殊不知熱管在筆記本家族中已經(jīng)有些年頭了，不過當(dāng)時(shí)由于成本較高只能用在筆記本這種奢侈品中現(xiàn)在開始在臺(tái)式機(jī)的市場上攻城掠地了。熱管的原理也就是在一條抽成負(fù)壓的銅管子里面放入一些低沸點(diǎn)液體，熱管一端受熱的時(shí)候液體因?yàn)闅鈮焊叻悬c(diǎn)低也就蒸發(fā)，蒸發(fā)是會(huì)吸收大量的熱的，而在熱管的另一頭遇冷氣體就冷凝變回液體并由于毛細(xì)孔作用回流到另一端，循環(huán)往復(fù)（圖2）。由圖1可以看出，筆記本的顯卡和CPU的熱量由兩條熱管負(fù)責(zé)將熱量分配到整個(gè)底座，從而將兩點(diǎn)熱源變成五點(diǎn)熱源，五點(diǎn)熱源的溫度大致相等從而達(dá)到了分散熱量不至過度集中的目的。從圖中我們可以看到整機(jī)設(shè)計(jì)的時(shí)候?qū)崃康姆植际鞘种鶆虻?，鍵盤左方是CPU的一點(diǎn)熱源分支，而鍵盤右邊是發(fā)熱量比較大的PCMCIA插槽，同樣的掌托左便是CPU的另外一點(diǎn)熱源分支，而右邊則是鍵盤，這樣的安排使的鍵盤和掌托局部都不至于過熱，而是否過熱是影響手感和舒適度的一大關(guān)鍵。從圖中我們也可以看到熱管的兩端都被厚厚的銅片緊密的壓著，銅的導(dǎo)熱特性要比鋁好，熱管也是銅做的，而且厚銅塊更利于熱量的擴(kuò)散。CPU和銅塊之間并不是直接相連的，因?yàn)橐粊磴~塊的表面要打磨成十分光滑的鏡面效果才能保證妥貼接觸，二來主板和底座靠螺釘緊固如果螺釘稍微松動(dòng)導(dǎo)致銅塊和CPU不能良好的接觸后果堪逾。因此CPU和銅礦之間是通過一片導(dǎo)熱膠來完成熱量傳輸?shù)?。既然熱管?dǎo)熱能力如此優(yōu)良為什么還要用兩條（好像武功如此高強(qiáng)，一劍封喉何必用第二劍？）這是因?yàn)闊峁茉诿總€(gè)拐角處都會(huì)損失30％左右的效率。除了熱管以外，CPU上直接覆蓋的鋁制散熱片還通過一條向上的分支緊貼鍵盤下面的大塊鋁板（圖3）。也許會(huì)有人懷疑這種無風(fēng)扇設(shè)計(jì)的被動(dòng)式散熱的可靠性，實(shí)踐證明了在環(huán)境溫度32度的情況下連續(xù)觀看RMVB電影CPU占用率在90％到100％之間1個(gè)小時(shí)后CPU溫度在65度，比IBM600系列等一些相同配置采用風(fēng)扇的機(jī)型還要低。