散熱器是電子產(chǎn)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(yōu)化設計思路也需要從熱量傳遞的三種基本方式出發(fā)。

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

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(shù)。

從上式可以看出，導熱系數(shù)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(jīng)濟性綜合表現(xiàn)是比較好的。因此常見的散熱器材質(zhì)主要是鋁合金和銅合金。

提高導熱系數(shù)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(xiàn)明顯。但材料的導熱系數(shù)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(fā)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(yōu)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(shù)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(yōu)化散熱。

 

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(shù)，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(chǎn)品整體尺寸變大。這不符合電子產(chǎn)品越來越緊湊的趨勢。另外，絕大多數(shù)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同時考慮系統(tǒng)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(nèi)部空氣流動，進而降低對流換熱系數(shù)。要獲得最佳的散熱面積和對流換熱系數(shù)的綜合最優(yōu)值，需要多次測試優(yōu)化對比。

 

除了單純改變散熱器齒間距來獲得更高的對流換熱系數(shù)，散熱器的斷齒、斜齒、放射齒等，都是在散熱面積與對流換熱系數(shù)之間做權衡。通過降風阻、間隙吸入冷風的效應，來優(yōu)化散熱效果。

 

在系統(tǒng)級的產(chǎn)品設計中，結合整體風道，多個散熱器之間需要相互配合，充分利用系統(tǒng)風量，弱化熱級聯(lián)效應。

 

使用自然散熱的電子產(chǎn)品，輻射換熱往往占有不可忽略的比例。當散熱器幾何結構設計已經(jīng)完成時，表面處理方式會顯著影響換熱效果。電子產(chǎn)品工作的溫度范圍內(nèi)，紅外線時主要的輻射波長。輻射換熱強度與產(chǎn)品的紅外輻射率成正比。對于暴露在陽關下的戶外產(chǎn)品，設備表面與太陽之間的輻射換熱則與其可見光輻射率成正比。

 

由上可知，對于輻射換熱，表面處理應當按照如下思路進行設計：

a)          室內(nèi)產(chǎn)品：結合散熱器的工作溫度，提高表面紅外輻射率；

b)          散熱器暴露在陽光下的產(chǎn)品：提高表面紅外輻射率，降低表面可見光輻射率。

假定產(chǎn)品內(nèi)部其它部分設計都已定型，從三種基本熱量傳遞方式的角度進行歸納，散熱器的主要優(yōu)化思路可總結如下：

傳熱方式	對應優(yōu)化思路
熱傳導	1.          使用高導熱系數(shù)的材料； 2.          使用熱管/均溫板等均熱部件，降低擴散熱阻； 3.          齒厚、基板厚度等影響擴散熱阻的散熱器參數(shù)。
對流換熱	1.          改變齒數(shù)、齒高、基板厚等關鍵形狀參數(shù)，使得散熱器達到傳熱面積和流動阻力的綜合最優(yōu)值； 2.          散熱齒異形、斷齒、錯齒、斜齒設計，配合系統(tǒng)風道，充分利用產(chǎn)品內(nèi)部空間，提高換熱強度。
輻射換熱	輻射換熱主要影響室內(nèi)自然散熱的產(chǎn)品和室外暴露在陽光下的產(chǎn)品。除了擴展散熱器面積，還需要選擇合適的表面處理方式 a)          室內(nèi)產(chǎn)品：結合散熱器的工作溫度，提高表面紅外輻射率； b)          散熱器暴露在陽光下的產(chǎn)品：提高表面紅外輻射率，降低表面可見光輻射率。

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