产品散热设计(一)
2016/12/09

散热设计指对电子设备的耗热元件以及整机或系统采用合适的冷却技术和结构设计,以对它们的温升进行控制,从而保证电子设备或系统正常、可靠地工作。作者通过三篇文章向大家详细介绍产品冷却设计的原理、方式。希望抛砖引玉,和大家一起讨论、学习。 
  1. 导热(热传导)
由于物体内部分子、原子和电子等微观粒子热运动,而组成物体的物质并不发生宏观的位移,将热量从高温区传到低温区的过程称为导热(或热传导)。
在气体中,导热是气体分子不规则热运动时相互碰撞的结果。气体温度越高,其分子运动动能越大,不同能量水平的分子相互碰撞的结果使热量从高温处传到低温处。
在导电固体中,相当多的自由电子在晶格之间像气体分子那样,通过相互碰撞传递能量。在不导电的固体中,热量的传递是通过晶格结构的振动,即原子、分子在平衡位置附近的振动来实现的。而对于液体的导热机理目前尚未获得统一的认识:一种观点认为液体的导热原因类似于气体分子的相互碰撞,只是液体分子之间的距离较小,分子间的作用力影响大于在气体分子间的作用力对碰撞过程的影响;另一种观点认为液体的导热原因类似于非导电固体,主要依靠弹性波的作用。
 
(2)对流
对流:流体各部分之间发生相对位移,依靠冷热流体互相掺混和移动所引起的热量传递方式。
流体(气体或液体)通过自身各部分的宏观流动实现热量传递的过程。因流体的热导率很小,通过热传导传递的热量很少,对流是流体的主要传热方式。对流可分为自然对流和强迫对流
自然对流:如果流体的运动是由于流体密度差和温度梯度而引起的,则这种传热过程称为自由对流或自然对流。


在自由对流传热中,上部较热流体与底部较冷流体间的密度差引起流体上升
 
影响自由对流热阻的重要因素包括流体中的温度梯度以及表面的位置和方向,如(下表降低自由对流热阻的方法)
 
  • 流体流不受限制(例如露在空气中的表面)
  • 采用垂直表面比采用水平表面好
  • 垂直表面尺寸小
  • 面对流体的表面向上(如果表面必须水平安置的话)
  • 面积大
 
 
 
 
 
 
 





强迫对流。如果流体的运动是由外力(如风扇或泵)造成的,则这种传热过程叫做强迫对流。影响强迫对流热阻的重要因素包括流体类型,它的速度及表面的外部特征(如图)

钟亮 产品散热设计-2.jpg
图2 增强流体湍流是增加强迫对流传热系数的有效方法
 
用来带走热的流体称为冷却剂。空气是最重要的冷却剂。减小热阻的方法如下。
减小热阻的方法。
  • 用液体比用气体好
  • 流速高
  • 粗糙或间断的表面
  • 面积大
 
 
 
 
 
 




(3)辐射
辐射是在真空中进行传热的唯一方式,它是量子从热体(辐射体)到冷体(吸收体)的转移。
不透明物体吸收落在它表面的一部分辐射能量,同时反射掉其余部分能量。吸收和反射的数量取决于物体表面特性,诸如颜色和粗糙度。理想的黑体吸收全部辐射能量,而理想的晶亮物体是反射所有的能量。一个表面的辐射特性是由一个称为黑度的无量纲量来表征的。

图3 副射传热速率与辐射体及吸收体温度的关系

黑度也在0和1之间,完全黑体的黑度为1,完全发光体的黑度为0,实际物体的黑度在0和1之间,典型的金属和非金属材料的黑度在(表)给出。
 

减小辐射热阻的方法
  1. 采用黑度大材料
  2. 辐射体对于吸收体要有良好的视角
  3. 面积大
 
冷却方法的选择
冷却方法的选择根据散热设备的热密度(表面散热功率系数或体积发热功率系数)来确定(图-发热功率系数)。
表面散热系数功率系数适合用于设备外部散热形式的选择;体积发热功率系数适合于设备内部散热形式的选择(表-冷却方式的选择)
 
发热功率系数
 
图4 表面散热功率系


图5 体积发热功率系数   W/cm³

冷却方式的选择
 
序号 冷却方式 集中冷却方法的选择(W/cm³) 发热功率(W/cm³)
1 敞开式空气冷却 0.015 0.0092
2 用塑料填充 0.025 0.0153
3 导热性金属 0.2 0.1226
4 具有辐射的热导体 0.5 0.308
5 强迫风冷 0.7 0.429
6 液体冷却 1.0 0.613
7 蒸发冷却 2.0 1.226
 
 
常用冷却技术单位面积的最大功率
 
冷却技术 单位传热面积的最大功率(W/cm³)
与环境空气的自然和向周围的辐射 8.0*102
直接气冷(强迫风冷) 3.0*103
空气冷却板 1.6*104
与液体的自由对流 5.0*102
液体冷却板 1.6*104
蒸发冷却 5.0*107
 
下一节,作者将为大家详细介绍水冷散热器的相关内容,希望大家继续关注我们的微信发布。