常見的散熱器優化設計思路

熱設計網 2019-10-22

散熱器是電子產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，散熱器的優化設計思路也需要從熱量傳遞的三種基本方式出發。

2.1熱傳導——優化散熱器擴散熱阻

當電子元器件上方附加散熱器時，熱量從器件內部傳遞到散熱器上，以及熱量在散熱器內部的傳遞都屬于熱傳導。經典傳熱學中熱傳導可以用傅里葉導熱公式描述：

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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是導熱方向截面積，k是導熱系數。

從上式可以看出，導熱系數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濟性綜合表現是比較好的。因此常見的散熱器材質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

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提高導熱系數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明顯。但材料的導熱系數提高是有限的，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，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，進而導致產品整體尺寸變大。這不符合電子產品越來越緊湊的趨勢。另外，絕大多數情況下，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，影響內部空氣流動，進而降低對流換熱系數。一個常規的現象足以說明翅片密度和風阻之間的關系這一點：強迫風冷的產品中散熱器翅片密度通常比自然散熱產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的綜合最優值，需要多次測試優化對比。由于仿真軟件的廣泛使用，在打樣測試前，為節省成本，提高效率，通常會進行仿真預測最優的散熱器設計方案。尋找散熱面積和對流換熱系數的綜合最優點是熱設計工程師的重要工作內容。

除了單純改變散熱器齒間距來獲得更高的對流換熱系數，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之間做權衡。通過降風阻、間隙吸入冷風的效應，來優化散熱效果。

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

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

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]. 機械工業出版社, 2013.

本篇節選自：陳繼良.從零開始學散熱.第六章

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