散熱設(shè)計(jì)指對電子設(shè)備的耗熱元件以及整機(jī)或系統(tǒng)采用合適的冷卻技術(shù)和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，以對它們的溫升進(jìn)行控制，從而保證電子設(shè)備或系統(tǒng)正常、可靠地工作。作者通過三篇文章向大家詳細(xì)介紹產(chǎn)品冷卻設(shè)計(jì)的原理、方式。希望拋磚引玉，和大家一起討論、學(xué)習(xí)。
熱傳遞有三種基本方式：導(dǎo)熱(熱傳導(dǎo))、對流和輻射
(1)導(dǎo)熱(熱傳導(dǎo))
由于物體內(nèi)部分子、原子和電子等微觀粒子的熱運(yùn)動，而組成物體的物質(zhì)并不發(fā)生宏觀的位移，將熱量從高溫區(qū)傳到低溫區(qū)的過程稱為導(dǎo)熱(或熱傳導(dǎo))。
在氣體中，導(dǎo)熱是氣體分子不規(guī)則熱運(yùn)動時(shí)相互碰撞的結(jié)果。氣體溫度越高，其分子運(yùn)動動能越大，不同能量水平的分子相互碰撞的結(jié)果使熱量從高溫處傳到低溫處。
在導(dǎo)電固體中，相當(dāng)多的自由電子在晶格之間像氣體分子那樣，通過相互碰撞傳遞能量。在不導(dǎo)電的固體中，熱量的傳遞是通過晶格結(jié)構(gòu)的振動，即原子、分子在平衡位置附近的振動來實(shí)現(xiàn)的。而對于液體的導(dǎo)熱機(jī)理目前尚未獲得統(tǒng)一的認(rèn)識:一種觀點(diǎn)認(rèn)為液體的導(dǎo)熱原因類似于氣體分子的相互碰撞，只是液體分子之間的距離較小，分子間的作用力影響大于在氣體分子間的作用力對碰撞過程的影響;另一種觀點(diǎn)認(rèn)為液體的導(dǎo)熱原因類似于非導(dǎo)電固體，主要依靠彈性波的作用。
(2)對流
對流：流體各部分之間發(fā)生相對位移，依靠冷熱流體互相摻混和移動所引起的熱量傳遞方式。
流體(氣體或液體)通過自身各部分的宏觀流動實(shí)現(xiàn)熱量傳遞的過程。因流體的熱導(dǎo)率很小，通過熱傳導(dǎo)傳遞的熱量很少，對流是流體的主要傳熱方式。對流可分為自然對流和強(qiáng)迫對流。
自然對流:如果流體的運(yùn)動是由于流體密度差和溫度梯度而引起的，則這種傳熱過程稱為自由對流或自然對流。
圖1
在自由對流傳熱中，上部較熱流體與底部較冷流體間的密度差引起流體上升
影響自由對流熱阻的重要因素包括流體中的溫度梯度以及表面的位置和方向，如(下表降低自由對流熱阻的方法)
降低自由對流熱阻的方法
強(qiáng)迫對流。如果流體的運(yùn)動是由外力(如風(fēng)扇或泵)造成的，則這種傳熱過程叫做強(qiáng)迫對流。影響強(qiáng)迫對流熱阻的重要因素包括流體類型，它的速度及表面的外部特征(如圖)
圖2
增強(qiáng)流體湍流是增加強(qiáng)迫對流傳熱系數(shù)的有效方法
用來帶走熱的流體稱為冷卻劑。空氣是最重要的冷卻劑。減小熱阻的方法如下。
減小熱阻的方法。
(3)輻射
輻射是在真空中進(jìn)行傳熱的唯一方式，它是量子從熱體(輻射體)到冷體(吸收體)的轉(zhuǎn)移。
不透明物體吸收落在它表面的一部分輻射能量，同時(shí)反射掉其余部分能量。吸收和反射的數(shù)量取決于物體表面特性，諸如顏色和粗糙度。理想的黑體吸收全部輻射能量，而理想的晶亮物體是反射所有的能量。一個(gè)表面的輻射特性是由一個(gè)稱為黑度的無量綱量來表征的。
圖3
副射傳熱速率與輻射體及吸收體溫度的關(guān)系
黑度也在0和1之間，完全黑體的黑度為1，完全發(fā)光體的黑度為0，實(shí)際物體的黑度在0和1之間，典型的金屬和非金屬材料的黑度在(表)給出。
減小輻射熱阻的方法
a.采用黑度大材料
b.輻射體對于吸收體要有良好的視角
c.面積大
冷卻方法的選擇
冷卻方法的選擇根據(jù)散熱設(shè)備的熱密度(表面散熱功率系數(shù)或體積發(fā)熱功率系數(shù))來確定(圖-發(fā)熱功率系數(shù))。
表面散熱系數(shù)功率系數(shù)適合用于設(shè)備外部散熱形式的選擇;體積發(fā)熱功率系數(shù)適合于設(shè)備內(nèi)部散熱形式的選擇(表-冷卻方式的選擇)
發(fā)熱功率系數(shù)
圖4 表面散熱功率系數(shù)
圖5 體積發(fā)熱功率系數(shù) W/cm3
冷卻方式的選擇
常用冷卻技術(shù)單位面積的最大功率
