散热器设计基础：因素与计算

散热器是机械和电子电路中最容易忽视的组件。但在设计硬件时情况并非如此，因为散热器起着非常关键的作用。包括 CPU、二极管和晶体管在内的几乎所有技术都会产生热能，这会降低热性能并降低运行效率。

为了克服散热的挑战，我们设计了不同类型的散热器来服务于不同的元件，并让它们在最适合的温度下运行。

随着技术（尤其是纳米技术）的快速发展，以及使事物尽可能紧凑和高效，正确的散热器设计已成为制造电气产品时的制衡。因此，本文将讨论散热器的细节和设计注意事项。

什么是散热器？

散热器是一种将多余热量从另一个组件中带走的设备。在集成电路中，散热器由具有高导热性的材料制成，以散发不需要的热量。它通过扩大表面积并让较冷的空气或流体通过其表面积来发挥作用。

根据傅里叶定律，热量从较热的区域转移到较冷的区域。基于此定律的散热器通过温度梯度运行。它吸收电子元件中产生的多余热量，并通过传导或自然对流等传热方法将其传递到较冷的空气或流体中。

散热器的类型

识别散热器设计的第一步是确定配置类型。有两种流行的散热器类型。

无源散热器

被动散热器是传统的选择，它们使用自然气流。自然对流在散热器上形成，将热量从组件中带走。它们运行起来更便宜，并且不需要额外的电力来运行。

主动式散热器

主动式散热器更高效、更强大，但它们需要使用空气或流体的强制对流来实现热传递。它们很容易被识别，因为它们在散热器附近使用风扇等电动设备。

选择任一散热器都会导致设计上的差异。例如，依靠风扇的有源散热器需要更小的表面积和更轻的材料来散发与无源导体相同的热量。

散热器设计中的因素和注意事项

任何散热器的工作原理都相同。首先，在部件中产生热量，并且散热器有助于所述热量的消散。连接到组件或电路的散热器通过传导或热管接收热量。散热片材料的热导率对这一过程有显着影响。

接下来，发生整个散热器内的热传递。被动式热交换器或散热器靠近热源较热，而靠近另一端较冷，因为这种自然传导将热量不均匀地传递到整个表面。

在此之后，热量通过自然对流和强制对流消散。直接通过散热器表面上方的空气或流体通过扩散将产生的热量带走，并将其传递到环境空气中。

到目前为止，很明显有很多因素会影响散热器的性能，包括材料、几何形状和冷却剂类型。散热片设计前应考虑这些参数。

1。热阻

热阻可以简单地定义为产生的热量在通过温度梯度时所面临的组合热阻。这包括散热器组件内的热阻、任何摩擦以及由于冷却剂和热交换器表面之间的阻力而造成的热能浪费。

可以使用热阻值计算热阻。它对于找出最有效的元器件和 IC 热阻非常有帮助。

2。材料类型

散热器设计很大程度上受所选材料的影响。流行的散热器材料包括铝合金，如 AA 6063-T6 和铜钨或铜钼。铜散热器具有出色的导热性和耐腐蚀性，但比铝更重且更昂贵。此外，化学气相金刚石（CVDs）是实验室生长的金刚石，因为它们的热导率来自晶格结构内的振动。

其他受热阻影响的发热设备包括汽车中使用的锂离子电池，从这些电池中传出热量至关重要，否则，热失控会导致连锁反应破坏电池。具有更高导电性的碳纤维散热器为汽车行业提供了一种热管理解决方案。

3。散热片

翅片是散热器的组件，它允许热量从散热器向环境温度转移。散热片的形状和位置会在很大程度上影响散热片传递能量的方式，而散热片的大小和数量决定了散热片的效率。

3.1 翅片的排列、形状、尺寸和位置

翅片是冷却流体（如空气）通过散热器的地方，允许散热。因此，布置和尺寸在散热器结构中很重要。增强这些因素可以导致更好的散热和更容易的热流。在 Science Direct 上的一项研究中，一份报告的结果讨论了形状如何影响散热器的热管理。

“结果表明，与其他两种形状相比，圆形鳍片增强了散热器的热性能，热阻降低了 25% 和 12%” - 热工程案例研究

3.2 翅片效率

服务器等广泛技术单元中的电气组件会产生过多的热量。缓慢的热传递会降低性能和寿命。热管和液体冷却具有巨大潜力，但翅片式换热器对于可靠和持续散热至关重要。

翅片扩大了电子元件的功耗表面，厚度、高度和热阻等因素会影响翅片的效率。为了提高效率，热边界层做得更薄，空气的方向与由高导热材料制成的散热器本身形成最佳角度。

4。热界面材料

散热器必须连接到电气元件和电路。这样做时，换热器与典型电气元件之间的界面称为热界面材料。

热界面电阻会降低散热器的效率和表面粗糙度，而截留的空气和空隙会增加热接触电阻。自然地，由于界面中存在这些缺陷，传热很差，为了降低热阻，使用了各种热界面材料，如相变材料。去除空气并填充空隙后，组件的热阻会降低，从而确保完全接触。

5.散热器连接方法

散热器用于各种地方，包括机械部件。散热片附件的选择可以显着提高最大功耗并散发更多的热能。广泛使用的方法包括导热胶带、环氧树脂、夹子和图钉。

散热器设计中的许多因素都会影响附件的选择。例如，导热胶带无法支撑大重量的散热器。环氧树脂是热管理解决方案的绝佳选择，但成本高且需要技巧。

散热器设计：热阻计算

散热器设计完善了其预期用途的几何形状和功能。然而，要评估散热器的散热性能，需要进行一些热阻计算。

要知道的几个术语：

Tjunction :最高结点工作温度

环境：环境空气温度

问：产生的热量

Tjunction-case :结壳电阻

界面 :界面材料电阻

Theatsink :散热片热阻

总热阻是指从结到外壳的热流阻力、界面材料热阻以及散热器与周围空气之间的阻力。

上述计算也用于设计阶段，以比较不同的材料和界面，并找到与组件最高工作温度相匹配的合适热阻。

散热器设计：尺寸计算

确定散热器尺寸的第一步是确定散热器的尺寸。尺寸确定后，下一步就是通过散热器计算器进行一些简化的计算。

• 寻找对流热

Qc =2hA(Tcompent – Tambient)

在哪里

A =HL + t(2H + L)

h =1.42[(Tcompent – Tambient)/H] ＾0.25

Qc :2hA(Tcompent – Tambient)

• 你会发现另一个表面可以散热，在 A2 处找到对流热

Qc =2h2A2(Tcompent – Tambient)

在哪里

A2 =L[2( H – b) + sb] + tL

s =2.71 [gβ(Tcompent – Tambient)/Lαv ]

• 寻找通过辐射散发的热量。

就像对流一样，热量可以通过两个表面的辐射逸出。

Qr =2ϵσA1(T ⁴ 胜任——T ⁴ 环境）

Qr2 =2ϵσA2(T ⁴ 胜任——T ⁴ 环境）

在哪里

A2 =L(t + s) + 2(tH + sb)

• 最终翅片的数量由下式给出

Fn =1 + [(问  – Qr2 – Qc2) / (Qr1 + Qc1)]

• 每个鳍片的宽度由下式给出

W =(N – 1) + Nt

散热器的应用

散热器用于产生热量并需要不断调节以将工作温度保持在最高允许温度范围内的地方。在电气单元中，几乎随处可见 LED 和晶体管的散热器。这是为了让它们在室温环境下工作而不会过热。

散热器的应用主要以它们导热的速度为特征。因此，在温度升高对操作有风险的过程中，需要使用导热率较高的材料。

CPU

当使用计算机并对 CPU 芯片进行超频时，会产生大量热量。与 CPU 热耦合的散热器不仅可以存储这些热量，迅速将其从芯片中移除，还可以将其传递到其表面，最终将其消散到环境空气中。

功率放大器

在功率晶体管中，产生的热量会导致电流泄漏。集电极电流的这种上升反过来会增加功耗，这会进一步增加温度。这可能导致热失控循环破坏晶体管。散热器可以快速传递通过其表面产生的热量，防止任何损坏。

光电

散热片通常与 LED 一起使用，因为组件本身无法调节其工作温度。

散热器设计的常用制造方法

为了创建有效的散热器设计，工程师必须考虑许多不同的因素，例如材料选择，而铝是制造散热器最常用的材料。在本节中，我们将讨论 3 种最常见的铝制散热器制造方法。

散热片的挤压

挤压工艺适用于较简单的散热器设计，具有生产量大、投资少、开发周期短、生产成本低等特点。

常用的铝挤压材料是铝6063，具有良好的导热性。工作原理是将铝锭在高压下加热到520-540℃，让铝液流过带凹槽的挤压模具，制成散热片胚。再切散热片胚、型材槽等加工都是用我们常见的散热片做的。

CNC加工散热片

CNC加工涉及多种工艺，例如车削、钻孔、铣削和磨削。此工艺可根据零件的结构灵活应用，大多数结构件的使用，如板材成型、散热片开槽、底面修整等。此方法特别适用于几何形状复杂的散热片设计.

压铸散热片

压铸铝散热器铝的原理类似于注塑成型。铝合金原材料在高压下溶解成液体，然后将液体材料快速填充到模具中。根据模型，压铸机开始工作，一次性压铸成型，经过冷却和后续处理，制成单体散热片。该工艺可以集成到薄、密或复杂的散热鳍片设计中。

结论

随着更多技术进步和发现更好的解决方案使工艺更有用，散热器的使用将继续扩大。散热片的设计也将更加多样化和定制化。

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