散热器基础知识：定义、操作、组件、类型和应用

散热器是用于将热量从热源传递到周围环境的装置。传热是通过传导、对流以及较小程度的辐射的组合来实现的。散热器通常有一个底部，顶部有多个翅片，旨在增加向周围流体传热的表面积。它们可以被动（使用自然对流）或主动（通过风扇或泵的强制对流）进行冷却。

本文将介绍什么是散热器、它的工作原理、组成散热器的各种组件以及散热器的一些常见应用。

什么是散热器？

散热器是一种热交换器，用于将热量从发热设备或热源传递到周围的流体中。这种流体通常是空气，但也可以是密封回路中的水或专用的非导电传热流体，例如乙二醇混合物或介电油。冷却可以通过自然对流被动进行，也可以通过强制气流（通常来自风扇）主动进行。散热器通常由铜或铝制成。

散热器是什么样的？

常见的散热器类型如下图1所示：

显示散热器工作原理的插图

散热器如何工作？

散热器利用传导、对流和辐射传热原理将热量从较热的源转移到较低温度的流体。热量从该源传导至水槽。散热器由高导热率的材料制成，例如铜或铝，使其能够快速将热量从热源导出。然后，这些热量通过对流和辐射从水槽传递到周围的流体中。通过与热交换流体接触的大表面积来提高传热速率。通过在散热器基材上切割翅片可以显着增加表面积。

根据冷却需求，散热器可以通过自然对流（被动冷却）或风扇或液泵提供的强制对流（主动冷却）发挥作用。

散热器的用途是什么？

散热器旨在散发电气或机械设备运行时产生的废热。如果不消除，这些废热可能会累积并导致故障或降低性能。

散热器的关键部件是什么？

散热器是一种相对简单的装置。下面列出了构成典型散热器的五个组件：

1。基地

散热器底座通常是具有优异导热性的扁平块或材料片。底座通常具有一致的横截面厚度，但也可以设计为具有针对热源的特定几何形状优化传热的横截面轮廓。底座通常通过安装硬件和导热膏安装到热源上。

2。鳍

从散热器底座突出的翅片负责将热量传递到周围的流体。这些翅片增加了散热器与空气或冷却剂接触的表面积，从而提高了散热率。

翅片可以形成底座的整体部分，或者可以使用各种技术（例如，通过压缩工艺）单独附接。翅片的形状和排列可以显着提高传热速率。

3。热管

热管设计用于沿其轴线传递热量。热管可以通过压装、焊接和导热环氧树脂集成到标准散热器和散热器内，以提高其传热效率。它们的工作原理是通过相变机制传递热量，使流体在热源处蒸发，然后沿着热管的轴线行进至冷却点，并通过冷凝变回液体。

4。热界面材料

热界面材料或导热膏用于通过填充热源和散热器之间的任何空气空隙来显着改善热源和散热器底座之间的热传递。空气是热的不良导体，因此用导热性更强的材料填充气隙可以提高散热器的冷却效率。导热膏可以是陶瓷、金属氧化物或硅树脂。金属基导热膏具有高导热性，但具有导电性，在敏感元件附近使用时应谨慎。

5。安装硬件

散热器可以使用多种不同的安装方法牢固地固定到目标热源上。对于较小的散热器，可以使用高导热率的粘合剂将散热器直接粘贴到热源上。此方法通常用于较小的 PCB 元件。对于较大的散热器，可以使用普通螺钉，或者使用弹簧推针来优化热源和散热器之间的接触压力。

散热器由什么材料制成？

散热器由高导热率的材料制成。下面列出了其中最常见的。

1. 铝：铝是一种轻质、低成本的材料，具有良好的导热性。它通常用于计算机和 LED 灯等电子设备的散热器。
2. 铜：铜具有出色的导热性，可用于计算机 CPU 等更敏感的组件。
3. 铝合金：纯铝较软且难以加工，因此经常使用铝合金。 1050 等高纯度合金可保持出色的导热性，而 6061 等强度更高的合金可提高机械强度，但会降低导热性。
4. 石墨：某些形式的工程石墨（例如热解石墨）具有非常高的面内导热率，可与铜相媲美或超过铜，并且重量要轻得多。然而，块状石墨或各向同性石墨的热性能较低。
5. 金刚石：金刚石的导热率比铜高得多，用于专门的半导体应用。然而，其高昂的成本限制了其仅限于高性能散热器或激光二极管冷却等利基用途。

散热器有哪些类型？

散热器分为三种基本类型。下面对它们进行了更详细的描述：

1。被动散热器

无源散热器是最简单的散热器类型。它只是一个带有鳍的底座。热量主要通过自然对流传递。当翅片周围的空气通过传导升温时，热空气上升，导致较冷的空气取代它。这是一个持续的过程。这些类型的散热器并不是最有效的。

2。混合散热器

混合散热器利用控制系统来决定何时采用被动或主动行为。当热源产生低水平的热量时，风扇或泵不会打开，因为自然对流足以将所需的热量从热源转移走。当自然对流不充分时，风扇启动，强制对流有助于增加从热源传出的热量。

3。主动散热器

主动散热器利用强制对流来传递热量。当风扇或泵导致流体流过散热器时，这种恒定的流动会不断用较冷的流体取代散热器周围的热流体。流量越高，传热速率越高。主动散热器比被动散热器更有效。

散热器有哪些应用？

散热器用于废热可能损坏设备的地方。下面列出了一些示例：

1。计算机处理器

计算机处理器（CPU）在运行过程中会产生大量废热。 CPU 通常使用带有铜散热器的主动冷却系统来管理运行期间的高热负载。酷CPU可以更有效地运行。

2。 LED照明

LED 灯不像白炽灯泡那样发出大量辐射热，但 LED 结本身在工作过程中会产生大量热能。这些热量必须被消散，通常通过较小 LED 中的无源散热器。

3。电力电子

AC-DC 转换器等电力电子器件会从 MOSFET 和稳压器等组件产生废热。铝制散热器通常用于这些应用，有时与主动风扇结合使用，以满足更高的热负载要求。

4。汽车行业

除了用于车辆控制电路的散热器外，散热器还用于在运行过程中保持电动机冷却以及冷却电动汽车车载充电器。

5。航空航天工业

航空航天系统在控制电路和机载电子设备中使用散热器。在航天器中，没有进行对流的大气层，专门的散热器使用高发射率表面将热量辐射到太空，并且通常包括热管将热量传输到散热器。

6。消费电子产品

消费电子产品广泛使用散热器来保持设备凉爽并高效运行。典型的例子包括计算机和手机中的散热器。

计算机中的哪些设备使用散热器？

计算机内的许多组件都使用散热器。例如，CPU（中央处理单元）和GPU（图形处理单元）通常使用散热器来提高效率和运行寿命。根据散热要求，高性能 RAM 模块和 PSU 的内部组件也可能包含散热器。主板上的各个 SMD（表面贴装器件）也可能使用小型散热器来保持凉爽。

如何为我的应用选择合适的散热器？

为了为您的应用选择正确的散热器，了解您的设备将产生多少热量及其运行环境非常重要。一旦知道这些，就可以通过计算将设备保持在最佳温度所需的传热速率来设计散热器，然后设计散热器配置以达到该温度。

散热器有什么好处？

下面列出了使用散热器的一些常见好处：

1. 提高可靠性：散热器有助于保持一致的工作温度，从而有助于提高设备的可靠性。
2. 延长使用寿命：散热器可以消除设备中的废热，否则会缩短其使用寿命。
3. 提高性能：例如，CPU 等设备在冷却时运行效率最高。有效的散热器可以提高设备的性能。
4. 降低噪音：如果可以使用无源散热器，则可能不需要冷却风扇。这最终将降低设备的噪音。
5. 节省成本：散热器可改善热管理，从而延长组件使用寿命并减少对额外冷却系统的需求，从而有助于节省系统设计和维护成本。

散热器有哪些限制？

下面列出了使用散热器的一些常见限制：

1. 冷却能力有限：由于空间和材料的限制，散热器只能以一定的速率散热。试图制造能够更快地散发更多热量的散热器变得不切实际且不经济。
2. 空间限制：在某些情况下，合适的散热器所需的空间可能大于可用空间。
3. 维护要求：散热器，尤其是 PC 内部的散热器，经常积聚灰尘。必须定期清洁它们，以防止传热率下降。
4. 噪音：主动散热器可能需要噪音较大的风扇才能有效运行。即使是静音风扇也会增加一定程度的噪音。
5. 成本：铜散热器虽然有效，但价格昂贵，并且对于设备来说在经济上可能不可行。可以使用铝等更便宜的材料，但性能可能不如铜。

影响散热器性能的因素有哪些？

散热器的性能取决于多种因素，如下所述：

1. 导热率：散热器材料的导热率是影响性能的最重要因素之一。铜或金刚石等导热率较高的材料可以更有效地将热量从电子元件中传导出去。
2. 翅片设计：增加翅片数量通常可以通过增加表面积来改善传热，但翅片过于密集可能会阻碍气流并降低性能。
3. 气流：通过自然或强制对流的作用从散热器带走热量。散热器翅片周围的气流速率越高，传热速率越高。
4. 热阻：热源与其散热器之间的界面处的热传递阻力可能是由于组件之间存在气隙而引起的。在界面处使用导热膏有助于消除绝缘气穴，从而降低热阻。
5. 环境温度：环境温度越高，热源与周围流体之间的温度梯度越小。这会降低散热器的性能。

有关散热器的常见问题

散热器会导致 3D 打印中的热蠕变吗？

不会，散热器旨在消除 3D 打印中的热蠕变。它将热量从热端传递到周围空气，并防止热量爬上挤出机组件。

散热器和散热器之间有什么区别？

散热器通常包括底座和散热片，通常通过对流将热量散发到周围的流体中。另一方面，散热器不会显着耗散热量，而是将热量重新分布在更大的表面积上，以减少局部热点并促进热量传递到另一个冷却组件，例如散热器、冷板或系统机箱。

摘要

本文介绍了散热器，解释了它们是什么，并讨论了它们的工作原理。要了解有关散热器的更多信息，请联系 Xometry 代表。

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迪恩·麦克克莱门茨

Dean McClements 是机械工程荣誉学士学位毕业生，在制造业拥有二十多年的经验。他的职业生涯包括在 Caterpillar、Autodesk、Collins Aerospace 和 Hyster-Yale 等领先公司担任重要职务，在那里他对工程流程和创新有了深入的了解。

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