幾種常見電子產(chǎn)品的散熱器優(yōu)化設(shè)計思路

作者：蘭洋科技????瀏覽量：7252????時間：2023年08月30日????標簽: 散熱器熱設(shè)計風(fēng)冷散熱

傳熱強化技術(shù)是一個有趣的話題，受到了研究人員的廣泛關(guān)注。增強傳熱過程的新技術(shù)必須既有效又節(jié)能。對流傳熱率的提高通常與壓降的增加有關(guān)，這意味著高功率需求。這是研究人員在設(shè)計現(xiàn)代傳熱強化技術(shù)時需要考慮的重要因素。傳統(tǒng)的傳熱增強技術(shù)包括實施擴展表面或翅片、強制流動過熱表面和渦流裝置以改變流體的流場。納米流體仿生熱沉是一種高效的傳熱增強技術(shù)，由納米粒子和常規(guī)基液混合而成。仿生散熱器基于仿生學(xué)原理，仿生學(xué)原理涉及模仿自然組織、優(yōu)化和適應(yīng)模式的結(jié)構(gòu)和過程。與常規(guī)工作流體相比，這有助于最大限度地提高傳熱率并提高性能。由于納米流體的低熱阻和高導(dǎo)熱性，人們進行了大量深入的研究。強化傳熱的方法分為主動式和被動式兩大類。有源方法需要外部電源。被動方法不需要任何外部電源，并且依靠擴展表面或組件來改變冷卻流體的流動，從而增強傳熱過程。

A. 主動技術(shù)

主動傳熱增強技術(shù)使用外部電源來增強散熱過程。幾種現(xiàn)代技術(shù)，例如旋轉(zhuǎn)表面或元件、引入振動、使用電磁場、流體注入和流體抽吸。電磁場方法是為實現(xiàn)更大的散熱而開發(fā)的最新技術(shù)。在這種方法中，可以引導(dǎo)靜電場在傳熱表面附近引起更大的體積流體混合（Hu 等人，2015 年）。各種研究都提到，雖然在誘導(dǎo)振動的幫助下傳熱速率顯著提高，但它可能導(dǎo)致散熱器表面產(chǎn)生疲勞應(yīng)力等不利影響（Bash et al., 2018）). 注入和抽吸技術(shù)比較普遍，包括在散熱器環(huán)境中注入流體以在前者中獲得更嚴重和均勻的熱量分布，包括從散熱器環(huán)境中抽出熱空氣以加強散熱。這些技術(shù)非常有效，但是在這個領(lǐng)域已經(jīng)進行了大量研究。

B. 被動技術(shù)

被動傳熱技術(shù)不利用外部能量來增強傳熱過程（Khattak 和 Ali，2019 年）。這些包括處理散熱器部件的表面以增強傳熱過程、使用擴展表面或翅片、位移增強技術(shù)、渦流裝置和流體中的添加劑。引入鰭是最常見的被動技術(shù)之一。該方法涉及表面的延伸，在實踐中使用的這種方法的例子是微型翅片管。在流動通道中插入位移增強裝置，以間接改善加熱表面的能量傳輸（Park et al., 2015). 旋流裝置產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)流和二次流，從而增強散熱過程（Alam 和 Kim，2017 年）。液體添加劑包括單相流中的固體顆粒和氣體顆粒，而氣體添加劑則使用液滴或固體顆粒

下面提出了幾種常見的增強方法跟大家探討：

1、熱傳導(dǎo)——優(yōu)化散熱器擴散熱阻

當(dāng)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(dǎo)。經(jīng)典傳熱學(xué)中熱傳導(dǎo)可以用傅里葉導(dǎo)熱公式描述：

式中，表示x方向的傳熱速率，其單位是；T表示溫度，A是導(dǎo)熱方向截面積，k是導(dǎo)熱系數(shù)。

從上式可以看出，導(dǎo)熱系數(shù)和導(dǎo)熱截面積是熱傳導(dǎo)中影響傳熱效率的兩個關(guān)鍵變量。

在常見的金屬中，鋁合金和銅合金的導(dǎo)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。

表6-1 常見機加工材料在常溫下的導(dǎo)熱系數(shù)

提高導(dǎo)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(dǎo)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(dǎo)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(dǎo)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。

圖為均溫板的效果仿真示意圖：無均溫板（左）底部鑲嵌均溫板（右）

2、對流換熱——強化對流換熱效率

元器件的熱量通過熱傳導(dǎo)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(huán)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(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(dǎo)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(dāng)空間給定，加大散熱面積還必須要考慮系統(tǒng)風(fēng)阻，因為細密的散熱器在加大散熱面積的同時，還會增加風(fēng)阻，影響內(nèi)部空氣流動，進而降低對流換熱系數(shù)。一個常規(guī)的現(xiàn)象足以說明翅片密度和風(fēng)阻之間的關(guān)系這一點：強迫風(fēng)冷的產(chǎn)品中散熱器翅片密度通常比自然散熱產(chǎn)品中散熱器翅片密度大。

強迫風(fēng)冷服務(wù)器中的細密齒散熱器（左）

自然散熱產(chǎn)品中的稀疏齒散熱器（右）

我們看到，牛頓冷卻定律中，換熱面積和對流換熱系數(shù)是一個乘積的關(guān)系，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。由于仿真軟件的廣泛使用，在打樣測試前，為節(jié)省成本，提高效率，通常會進行仿真預(yù)測最優(yōu)的散熱器設(shè)計方案。尋找散熱面積和對流換熱系數(shù)的綜合最優(yōu)點是熱設(shè)計工程師的重要工作內(nèi)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(shù)，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(shù)之間做權(quán)衡。通過降風(fēng)阻、間隙吸入冷風(fēng)的效應(yīng)，來優(yōu)化散熱效果。

圖6-9 一些通過擾動空氣流動提高換熱效率的散熱器設(shè)計

翅片的幾何形狀和排列對散熱效果影響國外作者做了如下研究：

圖 2。翅片幾何形狀的不同排列。(A)板鰭陣列。(B)可變翅片高度陣列。(C)交錯板鰭陣列。

Mokhtari 等人提出了一項研究，其中開發(fā)了具有不同引腳幾何形狀的模型來分析熱耗散和流體流動特性。在這里，分析了四種幾何形狀，如圖3所示。這些模型很簡單，以相同模式傾斜，以 V 模式傾斜和以交替模式傾斜。

圖 3。(A)上的流量和溫度分布簡單；(B)模式一；(C)模式二；(D)模型 3 ( Park et al., 2015 )。

分析發(fā)現(xiàn)，與簡單的翅片布置相比，傾斜翅片布置的傳熱性能得到顯著改善。從圖 3中可以明顯看出，具有 V 型布置或模型二的傾斜翅片在提高層流和湍流的傳熱率方面是最有效的幾何形狀。圖 4顯示了具有有限熱通量的翅片模型的溫度分布?？梢钥闯?，模型二和模型三在冷卻方面非常有效。該文章還討論了當(dāng)根據(jù)熱通量源在底板上的位置優(yōu)化翅片布置時增強冷卻區(qū)的存在。

傾斜翅片是直翅片的有效替代品，因為它具有影響整個散熱器傳熱效率的各種優(yōu)點（Soodphakdee 等人，2001 年；Sathe 和 Dhoble，2019 年）。此外，這種傾斜的翅片布置有利于實現(xiàn)更小的壓降。對這個主題進行了深入的審查，討論了使用傾斜翅片的不同散熱器設(shè)計。張等。( Zhang et al., 2020 )研究了W型散熱器的傳熱機理。他們通過實驗和數(shù)值表明，W 型散熱器的冷卻效果優(yōu)于平行板翅片。圖 6顯示了平行板翅式散熱器中的流動行為和溫度分布。另一方面，圖 7描繪了 W 型散熱器中的流動行為和溫度分布。很明顯，通過比較這兩個圖，W 型散熱器的溫度分布更均勻，因此比平行板散熱器更擅長散熱。實驗研究表明，特定的傾角對于特定的翅片高度模型來說是最佳的，可以提高效率。本文還闡述了間隙間隙對壓降的影響，并提到在特定的最佳間隙范圍內(nèi)，由于吸力效應(yīng)，散熱量最大。最后，為數(shù)值分析設(shè)計了相關(guān)性。

圖 7。W型散熱器的流線和溫度分布( Zhang et al., 2020 )。

據(jù)觀察，在散熱器中實施 W 型翅片幾何形狀后，與平行板翅片散熱器相比，最高溫度下降了 4.6°C，平均溫度下降了 2.9°C。圖 8。顯示傾角與溫度和傳熱系數(shù)之間的關(guān)系。有趣的是，W 型翅片的耗散面積比平行板翅片小 10%。樸和李，2017 年；Sahoo et al., 2018 )] 研究了用于 LED 燈泡的傾斜橫切圓柱形散熱器的有效性。他們總結(jié)說，通過改變工作角度，可以提高熱效率。圖 9顯示了各種傾斜角度下圓柱形散熱器周圍的流動路徑。在傾斜25°~30°時，熱阻最小，超過50°，熱性能急劇下降。制定了一個相關(guān)性來預(yù)測冷卻性能相對于直橫切散熱器的改進程度，作為散熱器設(shè)計變量和散熱器安裝角度的函數(shù)。表 1總結(jié)了在翅片幾何形狀和散熱器方向?qū)嵝阅艿挠绊懛矫骈_展的研究工作。表 2顯示了傾斜翅片幾何形狀研究工作的總結(jié)。

圖 8。翅片間距8 mm、翅片間隙8 mm的W型散熱器翅片傾角與換熱性能的關(guān)系( Zhang et al., 2020 )。

3、輻射換熱——選擇合適的表面處理方式

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(dāng)散熱器幾何結(jié)構(gòu)設(shè)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)，紅外線是主要的熱輻射波長。輻射換熱強度與產(chǎn)品的紅外輻射率成正比。對于暴露在陽光下的戶外產(chǎn)品，設(shè)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。關(guān)于原因，可以參考第二章輻射換熱的部分。