散熱器是電子產(chǎn)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(yōu)化設計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——優(yōu)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(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。經(jīng)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(shù)。

  從上式可以看出，導熱系數(shù)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(jīng)濟性綜合表現(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 常見機加工材料在常溫下的導熱系數(shù)   

提高導熱系數(shù)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(xiàn)明顯。但材料的導熱系數(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景就非常有優(yōu)勢。

熱管和均溫板的具體選用和散熱強化原理會在第九章詳細闡述，簡單來講，可以將其視為一種導熱系數(shù)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(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，具體情況以實際場景為準。                                                           

2.2對流換熱——強化對流換熱效率

 元器件的熱量通過熱傳導傳遞到散熱器上之后，需要通過對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的空氣之間的換熱方式，是對流換熱。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(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(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。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。當空間給定，加大散熱面積還必須要考慮系統(tǒng)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(nèi)部空氣流動，進而降低對流換熱系數(shù)。一個常規(guī)的現(xiàn)象足以說明翅片密度和風阻之間的關系這一點：強迫風冷的產(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強迫風冷服務器中的細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，換熱面積和對流換熱系數(shù)是一個乘積的關系，要獲得最佳的散熱面積和對流換熱系數(shù)的綜合最優(yōu)值，需要多次測試優(yōu)化對比。由于仿真軟件的廣泛使用，在打樣測試前，為節(jié)省成本，提高效率，通常會進行仿真預測最優(yōu)的散熱器設計方案。尋找散熱面積和對流換熱系數(shù)的綜合最優(yōu)點是熱設計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流換熱系數(shù)之間做權(quán)衡。通過降風阻、間隙吸入冷風的效應，來優(yōu)化散熱效果。

圖6-11 一些通過擾動空氣流動提高換熱效率的散熱器設計

  在系統(tǒng)級的產(chǎn)品中，散熱器設計、風扇選型和風道設計三者之間的組合優(yōu)化是相當復雜的。當存在多個發(fā)熱點、多個散熱器、多顆風扇時，需要各部件之間相互配合，做到有效利用系統(tǒng)風量，弱化彼此熱點間的級聯(lián)效應，從而達到最優(yōu)的設計組合。

參考文獻

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

本篇節(jié)選自：陳繼良.從零開始學散熱.第六章

感謝閱讀

---

中國熱設計網(wǎng)是國內(nèi)最具活力的熱設計專業(yè)技術交流平臺，是中電標協(xié)熱管理行業(yè)工作委員會唯一官方合作平臺。平臺包括持續(xù)更新技術和各類熱設計資訊的公眾號，數(shù)千人的QQ技術交流群（群號319322744或掃描文末二維碼加入）、微信群（熱設計網(wǎng)技術交流群1、2、3，熱設計網(wǎng)華東區(qū)技術交流群1）。熱設計平臺持續(xù)于全國各地舉辦熱設計技術交流會，精準對接散熱人才需求，并協(xié)同熱管理行業(yè)工作委員會推進熱設計行業(yè)標準、測試規(guī)范的建立。

群名稱：中國熱設計網(wǎng)    群號319322744

中國熱設計網(wǎng)是國內(nèi)最具活力的熱設計技術信息交流平臺，如有合作需求，請掃碼聯(lián)系熱設計網(wǎng)小謝，謝謝！

標簽： 點擊： 評論: