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常见的散热器优化设计思路

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 散热器是电子产品热设计中最常用到的散热强化部件。其强化原理是增加换热面积。同热设计所有部件的设计类似,散热器的优化设计思路也需要从热量传递的三种基本方式出发。


2.1热传导——优化散热器扩散热阻


 当电子元器件上方附加散热器时,热量从器件内部传递到散热器上,以及热量在散热器内部的传递都属于热传导。经典传热学中热传导可以用傅里叶导热公式描述:  


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  式中,微信图片_20191022171438.png表示x方向的热流密度,其单位是微信图片_20191022171438.pngT表示温度。A是导热方向截面积,k是导热系数。

  从上式可以看出,导热系数和导热截面积是热传导中影响传热效率的两个关键变量。


  在常见的金属中,铝合金和铜合金的导热效能和经济性综合表现是比较好的。因此常见的散热器材质主要是铝合金和铜合金。


        表6-1 常见机加工材料在常温下的导热系数   

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提高导热系数是为了降低扩散热阻。扩散热阻尤其在芯片热流密度较高,或者翅片长厚比较大时表现明显。但材料的导热系数提高是有限的,提高散热器基板厚度、翅片厚度等从导热截面面积出发的手段,又受到空间的限制。这样,热管和均温板的使用,在某些热流密度大的场景就非常有优势。

热管和均温板的具体选用和散热强化原理会在第九章详细阐述,简单来讲,可以将其视为一种导热系数极高的传热部件。在高热流密度的场景中,通过在散热器底部镶嵌热管或均温板,可以有效降低扩散热阻,优化散热。

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图6-9 均温板的效果仿真示意图(仿真工具:Flotherm V12.0) 

                  注:图示数字仅供定性示意均温板的效果,具体情况以实际场景为准。                                                           

2.2对流换热——强化对流换热效率


 元器件的热量通过热传导传递到散热器上之后,需要通过对流和辐射换热将热量散热器到环境中去,完成热量的散失。散热器翅片和周围流动的空气之间的换热方式,是对流换热。先来看用来描述对流换热的牛顿冷却定律

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 式中,q为传热量,h称为对流换热系数,A为换热面面积,Tw为固体表面温度,Tf为流体温度。

  显然,通过提升对流换热面积,可以直接强化换热。但提升换热面积,通常意味着散热器要做的尺寸更大,进而导致产品整体尺寸变大。这不符合电子产品越来越紧凑的趋势。另外,绝大多数情况下,加大散热器还意味着散热成本提升。当空间给定,加大散热面积还必须要考虑系统风阻,因为细密的散热器在加大散热面积的同时,还会增加风阻,影响内部空气流动,进而降低对流换热系数。一个常规的现象足以说明翅片密度和风阻之间的关系这一点:强迫风冷的产品中散热器翅片密度通常比自然散热产品中散热器翅片密度大。

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    图6-10强迫风冷服务器中的细密齿散热器和自然散热产品中的稀疏齿散热器

 

 我们看到,牛顿冷却定律中,换热面积和对流换热系数是一个乘积的关系,要获得最佳的散热面积和对流换热系数的综合最优值,需要多次测试优化对比。由于仿真软件的广泛使用,在打样测试前,为节省成本,提高效率,通常会进行仿真预测最优的散热器设计方案。寻找散热面积和对流换热系数的综合最优点是热设计工程师的重要工作内容。

除了单纯改变散热器齿间距来获得更高的对流换热系数,散热器的断齿、斜齿、开花齿等,都是在散热面积与对流换热系数之间做权衡。通过降风阻、间隙吸入冷风的效应,来优化散热效果。

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图6-11 一些通过扰动空气流动提高换热效率的散热器设计

  在系统级的产品中,散热器设计、风扇选型和风道设计三者之间的组合优化是相当复杂的。当存在多个发热点、多个散热器、多颗风扇时,需要各部件之间相互配合,做到有效利用系统风量,弱化彼此热点间的级联效应,从而达到最优的设计组合。


参考文献

      [1] YounesShabany, 夏班尼, 余小玲,等. 传热学:电力电子器件热管理[M]. 机械工业出版社, 2013.        

本篇节选自:陈继良.从零开始学散热.第六章


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