常見的散熱器優(yōu)化設(shè)計(jì)思路

熱設(shè)計(jì)網(wǎng) 2019-10-22

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)。

2.1熱傳導(dǎo)——優(yōu)化散熱器擴(kuò)散熱阻

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：

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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。

表6-1 常見機(jī)加工材料在常溫下的導(dǎo)熱系數(shù)

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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。

圖6-9 均溫板的效果仿真示意圖（仿真工具：Flotherm V12.0）

注：圖示數(shù)字僅供定性示意均溫板的效果，具體情況以實(shí)際場(chǎng)景為準(zhǔn)。

2.2對(duì)流換熱——強(qiáng)化對(duì)流換熱效率

元器件的熱量通過熱傳導(dǎo)傳遞到散熱器上之后，需要通過對(duì)流和輻射換熱將熱量散熱器到環(huán)境中去，完成熱量的散失。散熱器翅片和周圍流動(dòng)的空氣之間的換熱方式，是對(duì)流換熱。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)。一個(gè)常規(guī)的現(xiàn)象足以說明翅片密度和風(fēng)阻之間的關(guān)系這一點(diǎn)：強(qiáng)迫風(fēng)冷的產(chǎn)品中散熱器翅片密度通常比自然散熱產(chǎn)品中散熱器翅片密度大。

圖6-10強(qiáng)迫風(fēng)冷服務(wù)器中的細(xì)密齒散熱器和自然散熱產(chǎn)品中的稀疏齒散熱器

我們看到，牛頓冷卻定律中，換熱面積和對(duì)流換熱系數(shù)是一個(gè)乘積的關(guān)系，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。由于仿真軟件的廣泛使用，在打樣測(cè)試前，為節(jié)省成本，提高效率，通常會(huì)進(jìn)行仿真預(yù)測(cè)最優(yōu)的散熱器設(shè)計(jì)方案。尋找散熱面積和對(duì)流換熱系數(shù)的綜合最優(yōu)點(diǎn)是熱設(shè)計(jì)工程師的重要工作內(nèi)容。

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、開花齒等，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。

圖6-11 一些通過擾動(dòng)空氣流動(dòng)提高換熱效率的散熱器設(shè)計(jì)

在系統(tǒng)級(jí)的產(chǎn)品中，散熱器設(shè)計(jì)、風(fēng)扇選型和風(fēng)道設(shè)計(jì)三者之間的組合優(yōu)化是相當(dāng)復(fù)雜的。當(dāng)存在多個(gè)發(fā)熱點(diǎn)、多個(gè)散熱器、多顆風(fēng)扇時(shí)，需要各部件之間相互配合，做到有效利用系統(tǒng)風(fēng)量，弱化彼此熱點(diǎn)間的級(jí)聯(lián)效應(yīng)，從而達(dá)到最優(yōu)的設(shè)計(jì)組合。

參考文獻(xiàn)

[1] YounesShabany, 夏班尼, 余小玲,等. 傳熱學(xué):電力電子器件熱管理[M]. 機(jī)械工業(yè)出版社, 2013.

本篇節(jié)選自：陳繼良.從零開始學(xué)散熱.第六章

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