电子第三讲-肋片散热器1-2011
LED热设计及仿真应用
9
热设计基本要求
工程上为简便计算，通常采用元器件经降额设计后允许的最高温度值做 为热设计目标。
双极性数字电路降额准则 降额参数 频率 输出电流 最高结温℃ 降额等级 Ⅰ 0.80 0.80 85 Ⅱ 0.90 0.90 100 Ⅲ 0.90 0.90 115
10
热设计基本要求
热设计应满足设备预期工作的热环境的要求
13
热设计应考虑的问题
应考虑太阳辐射给电子设备带来的热问题，应有相应的防护措施 应具有防止诸如燃料油微粒、灰尘、纤维微粒等沉积物和其它老化的 措施，以免增大设备的有效热阻，降低冷却效果 应尽量防止由于工作周期、功率变化、热环境变化以及冷却剂温度变 化引起的热瞬变，使器件的温度波动减小到最低程度 应选择无毒性的冷却剂；直接液体冷却系统的冷却剂应与元器件及相 接触的表面相容，不产生腐蚀和其它化学反应
冷却方法选择
散热器冷却方式的判据
对通风条件较好的场合：散热器表面的热流密度小于0.039W/cm2， 可采用自然风冷。 对通风条件较恶劣的场合：散热器表面的热流密度小于0.024W/cm2， 可采用自然风冷。 通风条件较好的场合：散热器表面的热流密度大于0.039W/cm2而小 于0.078W/cm2，必须采用强迫风冷。 通风条件较恶劣的场合： 散热器表面的热流密度大于0.024W/cm2而 小于0.078W/cm2，必须采用强迫风冷。
对流必然伴随有导热现象。
22
对流
对流分为自然对流和强迫对流两大类。 自然对流是由于流体冷、热各部分的密度不同而引起的。 强迫对流是由于泵、风机或其他压差作用所造成的。
自然对流
23
强迫对流
对流
对流换热系数
对流换热系数的变化范围很大，对于强迫风冷来说，大致在几 十这个数量级，大的可以上百。 沸腾换热及凝结换热也属于对流问题，它们是伴随有相变的对 流换热。
两种形式散热器的比较
两种形式散热器的比较
最近对针式散热器比较感兴趣，因此做了一下对比分析。
主要是跟最常见的肋片式散热器做一下对比。
随手用CREO拉了3个散热器以及流道，正好把散热器包裹：
基板尺寸均为50mm*50mm*4mm，鳍片高度均为21mm。
1、肋片式散热器鳍片间距a、齿厚b，换热面积为c；
2、pin_fin式散热器一圆柱间距为a、直径b，换热面积为d；
3、pin_fin式散热器二圆柱间距为e、直径f；换热面积为c;
采用从上往下吹风的方式，在基板后面设置500W热源。
以下为仿真结果：
从仿真结果可以看出：
pin_fin式散热器圆柱达到一定高度，温度不再变化，因此与肋片式相比，高度可以做低一些，达到减小产品体积的目的。
读取压损以及热阻数值：
1、肋片式散热器与Pin_fin式散热器一（结构同规格），热阻几乎一致（pin_fin式散热器虽然紊流度增加，但翅片换热面积减少），pin_fin式散热器流阻更小，达到35.3%；
2、肋片式散热器与Pin_fin式散热器二（换热面积相同），pin_fin 式散热器热阻降低了24.6%，流阻增大了17.7%。
综上所述：
针式散热器跟肋片式散热器比起来，性能还是有优势的。
从成本角度来考虑：针式散热器几乎只能用冷锻的方式来加工，成本较高，比型材散热器至少要贵50%，从性能及成本综合来看，好像性价比不是那么高。
但是针式散热器还有一个优点，就是体积可以做小，因此用到附加值高且空间受限制的产品中，还是比较合适的。
各位有什么想法欢迎在留言区留言。
简述散热器结构
简述散热器结构
散热器是一种用于散热的装置，通常用于电子设备、计算机、汽车等领域，以散发内部产生的热量，维持设备的正常运行温度。
它的主要结构包括以下几个部分：
1. 散热片：散热片是散热器的核心部分，通常由铝合金、铜合金或其他导热材料制成。
散热片的设计目的是增加散热表面积，通过将热量从热源传导到散热片上，然后通过散热片的表面积将热量散发到周围环境中。
2. 热管/热板：一些散热器可能采用热管或热板来提高散热效率。
热管是一种内部充满工作流体的导热元件，可以快速传递热量。
热板则是一种平板状的导热元件，常用于直接接触热源以提高热传递效率。
3. 风扇：为了增强散热器的散热效果，很多散热器会配备风扇。
风扇通过产生气流，将散热片上的热量带走，加速热量的散发。
风扇的转速和风量会影响散热效果。
4. 散热鳍片：散热鳍片是安装在散热片上的薄片，其目的是增加散热片的表面积，进一步提高散热效率。
散热鳍片通常呈薄片状，以最大化空气与散热片的接触面积。
5. 基座/安装支架：基座或安装支架用于将散热器固定在热源上，确保良好的接触和热传导。
基座的设计可能因不同的应用而有所差异，以适应各种热源的形状和尺寸。
6. 风扇电机：如果散热器配备了风扇，那么它还包括一个风扇电机，用于驱动风扇旋转。
风扇电机通常由轴承、转子和定子组成。
7. 电缆和接口：一些散热器可能需要连接电源或与主板进行通信，因此会配备电缆和相应的接口。
总之，散热器的结构是为了有效地将热源产生的热量传递到周围环境中，以维持设备的正常工作温度。
不同类型的散热器可能会有一些差异，但基本结构和功能是相似的。
第四讲 肋片导热
hP const Ac
d 2 m 2 dx 2
混合边界条件： x 0 时， ＝ 0＝t 0 t
d 0 x H 时， dx
方程的通解为：
c1e mx c2 e mx
应用边界条件可得：
e mH c1 0 mH e e mH
Newton冷却公式： Φd h( Pdx)(t t )
d 2t hP (t t ) 0 2 dx Ac
关于温度的二阶非 齐次常微分方程
d 2t hP (t t ) 0 导热微分方程： 2 dx Ac
引入过余温度 t t 。令 m 则有：
2Hale Waihona Puke 肋片效率为了从散热的角度评价加装肋片后换热效果，引进肋片效率 f
实际散热量 Φ 肋片效率＝ 假设整个肋表面处于肋 基温度下的散热量 Φ0
hP 0 th ( mH ) th ( mH ) f m hPH 0 mH
m hP Ac
hP h 2l 2h 3 2 mH H H H Ac l H
例：
q 6 105 W m 2 rc 2.64 104 m 2 K W tc q rc 158.4 C
接触热阻的影响因素： （1）固体表面的粗糙度 （3）接触面上的挤压压力 （2）接触表面的硬度匹配 （4）空隙中的介质的性质
在实验研究与工程应用中，消除接触热阻很重要 导热姆（导热油、硅油）、银 先进的电子封装材料 （AIN），导热系数达400以上
q
A B rc A AB
t1 t3
A B t1 t3 q ( rc ) A AB
（1）当热流量不变时，接触热阻 rc 较大时，必然 在界面上产生较大温差 （2）当温差不变时，热流量必然随着接触热阻 rc 的增大而下降 （3）即使接触热阻 rc 不是很大，若热流量很大， 界面上的温差是不容忽视的
2.5.2 肋片效率
h(t0 t f )( Ar A f f )
A0 h(t0
tf
)( Ar
f
A0
Af
)
A0 0 h(t0 t f )
肋面总效率： 0
Ar f A f
Ar A f
5. 肋片的选用
增加对流传热面积，但是同时增加了导热热阻。
等截面直肋： δ/ λ ≤0.25(1/h)，加肋片有益。
肋片效率
1. 定义
肋片效率＝
实际散热量Φ
假设整个肋表面处于肋基温度下的散热量Φ0
f
hU m
0th (m l)
Hale Waihona Puke h U l 0th (m l) ml
肋效率与ml有关
m hU
AL
2. 等截面直肋
ml 增加，ηt 减小
f
hU m
0 th (ml )
h U l 0
th(ml) ml
一般： ηt >80%
最小重量肋片：
毕渥数Bi
Bi /
1/ h
肋片是航天器辐射散热的重要手段，但是需要综合考虑散热 效果与航天器的重量 —— 一定散热量下最小重量的肋片。 散热最佳：抛物线截面肋片； 综合最佳：三角形截面肋片
THANKS
矩形剖面环肋效率曲线
肋片散热量的计算步骤：
a. 根据已知参数查图计算肋效率； b. 假定肋表面温度＝肋根温度，计算理想散热量 Ah(t0-tf)； c. 实际散热量＝肋效率×理想散热量。
矩形及三角形直肋效率曲线
矩形剖面环肋效率曲线
4. 肋面总效率
整个肋面的对流换热量：
Ar h(t0 t f ) A f f h(t0 t f )
a. 肋片高度 l 增加，效率降低 （肋片高度并非越高越好）；
肋效率
通过肋壁的导热返回到上一层重点内容：肋片的导热现象的分析计算方法及其强化传热的机理。
所谓肋(fin)，亦称为延伸表面或者扩展表面(extended surface)，工程上也经常称为翅片，是指那些从某个基面上伸展出来的固体表面，它们的导热和传热规律是工程上非常重要的一类问题。
其主要的特点是在热流量沿着肋的高度方向传导的同时，扩展表面向周围的流体及环境以对流或者对流加辐射的方式散发(或吸收)热量。
扩展表面最重要的工程应用是强化传热过程。
肋片可以直接铸造、轧制或切削制作，也可以缠绕金属薄片并加工而制成。
肋片有直肋和环肋两种，各自又可分为等截面和变截面的。
一、等截面直肋的导热矩形直肋，高为l，宽为L，厚为δ，截面积为A，周长为U，已知λ为常数（常物性），周围流体温度为t f，h处处相等，而且壁面表面温度即肋基温度为t0。
1、数学模型可以通过两条不同途径建立该问题的数学模型：(1)把肋表面散热视为虚拟的负内热源，利用一维常物性有内热源的导热微分方程式写出此问题的数学描述。
需要注意的是，必须把该虚拟内热源折算成单位体积的热功率。
(2)从基本的能量平衡出发推导它的导热微分方程式。
其能量平衡方程在稳态下可以表达为：净导入微元体的热流量＝微元体散失于环境中的对流换热量导热微分方程式：，边界条件：，引入过余温度，表征肋片导热性能、换热性能及几何结构之间的相对关系。
最终数学模型为：，２结论⑴温度分布：，肋端：可以看出，过余温度沿肋高方向减小，且其速度也在减小。
⑵热流量：其中：３分析⑴上述理论解，可以应用于大量的实际等截面直肋（不仅仅是矩形直肋）；⑵在必须考虑肋端散热的少数情况，可用假想肋高l c＝l＋δ/2代替实际肋高；⑶若肋片厚而短时，温度场是二维的，上述结果不再适用。
二、肋片效率1、肋片效率定义肋片效率定义为，肋片的实际散热量与其整个肋片都处于肋基温度下的最大可能的散热量之比，记为工程上，经济的肋片效率大约在=0.64-0.76之间。
传热学习题集
郑州大学传热学习题集苏小江2014/6/1内容：书中例题和课后习题绪论[例0-1] 某住宅砖墙壁厚为2401=δmm ，其导热系数为6.01=λW/(m 2·K)，墙壁内、外两侧的表面传热系数分别为：)/(5.721K m W h ⋅= ，)/(1022K m W h ⋅=，冬季内外两侧空气的温度分别为：C t f 201=，C t f52-=，试计算墙壁的各项热阻，传热系数以及热流密度。
[例0-2] 一冷库外墙的内壁面温度为C t w 12-=，库内冷冻物及空气温度均为C t f 18-=。
已知壁的表面传热系数为)/(52K m W h ⋅=，壁与物体间的系统辐射系数)/(1.54221K m W C ⋅=、，试计算该壁表面每平方米的冷量损失？并对比对流换热与热辐射冷损失的大小？13、求房屋外墙的散热热流密度q 以及它的内外表面温度 和。
已知：δ=360mm ，室外温度 = -10℃，室内温度=18℃，墙的λ=0.61W/(m.K),内壁表面传热系数h1=87W/(m².K)，外壁h2=124W/(m ².K)。
已知该墙高2.8m ，宽3m ，求它的散热量Φ？15、空气在一根内径50mm,长2.5m的管子内流动并被加热，已知空气平均温度为85℃，管壁对空气的h=73W/m.℃，热流通量q=5110W/2m。
，试确定管壁温度及热流量。
16、已知两平行平壁，壁温分别为=50℃，=20℃，辐射系数 1.2C 3.96，求每平方米的辐射换热量W/2m。
若增加到200℃，辐射换热量变化了多少?第一章 导热理论基础[例1-1]厚度为δ 的无限大平壁，λ为常数，平壁内具有均匀内热源(W/m³)，平壁x=0的一侧绝热， x=δ的一侧与温度为f t 的流体直接接触进行对流换热，表面传热系数h 是已知的，试写出这一稳态导热过程的完整数学描述。
[例1-2] 一半径为R 长度为l 的导线，其导热系数λ为常数。
电子散热器技术手册 (2)
电子散热器技术手册
抱歉，我无法提供实时的电子散热器技术手册。
然而，如果您需要了解关于电子散热器的技术信息，我可以为您提供一些基本概念和常见的散热器类型。
1. 散热器概述：
散热器是一种用于散热的设备，通过增大散热面积和改变热量传输方式，将热量从热源转移到周围环境。
2. 散热器类型：
- 散热片：采用铝或铜等材料制成，通过增大散热面积和空气对流来散热。
- 散热风扇：结合散热片和风扇，通过强制空气对流来提高散热效果。
- 热管：采用一种特殊的液体或气体来传导热量，将热量从热源传递到散热器。
- 液冷散热器：采用水或其他液体来吸收热量，并通过热交换器将热量传递到空气中。
3. 散热器设计考虑因素：
- 散热功率：根据热源产生的功率来选择合适的散热器类型和规格。
- 散热面积：散热器的散热面积越大，散热效果越好。
- 空气流通：为散热器提供充足的空气流通，以提高散热效果。
- 材料导热系数：选择导热系数高的材料，以提高散热效率。
- 散热器布局：合理布局散热器，避免热量集中。
请注意，以上只是一些基本概念，具体散热器的设计和使用还需要根据具体应用和要求进行详细考虑。
如果您需要更专业的技术手册，请咨询相关厂商或领域专家。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
《电子设备热设计》
Copyright© 2010 BeiHang University
肋片散热器(heat sinks)的选择与设计
《电子设备热设计》
Copyright© 2010 BeiHang University
▪To select a heat sink for a given
《电子设备热设计》
Copyright© 2010 BeiHang University
▪ 散热器设计的步骤
通常散热器的设计分为三步 1:根据相关约束条件设计出轮廓图。 2:根据散热器的相关设计准则对散热器齿厚、齿的 形状、齿间距、基板厚度进行优化。 3:进行校核计算。
《电子设备热设计》
Copyright© 2010 BeiHang University
《电子设备热设计》
Copyright© 2010 BeiHang University
肋片散热器的传热分析－假设
▪
▪ ① 肋片上任何一点的温度不随时间 变化；
▪ ② 肋片材料的材质均匀，导热系数 为常数；
▪ ③ 肋片与环境之间的对流换热表面 传热系数为常数；
▪ ④ 周围环境流体的温度为常数； ▪ ⑤ 肋片仅在其高度方向有温度梯度； ▪ ⑥ 在肋片根部不存在接触热阻； ▪ ⑦ 肋片根部温度均匀且为常数； ▪ ⑧ 肋片内部无热源； ▪ ⑨ 忽略肋端面和侧面的对流换热。
➢在散热器表面加波纹齿，波纹齿的深度一般应小于 0.5mm。
➢增加散热器的齿片数。目前国际上先进的挤压设备及 工艺已能够达到23的高宽比，国内目前高宽比最大只 能达到8。对能够提供足够的集中风冷的场合，建议采 用低温真空钎焊成型的冷板，其齿间距最小可到2mm。
➢采用针状齿的设计方式，增加流体的扰动，提高散热 齿间的对流换热系数。
2h
y 0 ( x )2 0.33 1.414 0.502 0.333
2h
《电子设备热设计》
Copyright© 2010 BeiHang University
1.0
1.0
❖散热器的基板厚度优选
《电子设备热设计》
Copyright© 2010 BeiHang University
❖不同风速下散热器齿间距选择方法
Copyright© 2010 BeiHang University
Heat Sink Resistance 散热器的热阻
Volumetric Heat Sink Resistance
(= Heat sink volume * RCA)
(RcA is case to ambient resistance)
➢当风速大于1m/s(200CFM)时，可完全忽略浮升力对 表面换热的影响。
《电子设备热设计》
Copyright© 2010 BeiHang University
❖在一定的冷却体积及流向长度下，确定散热器齿片最 佳间距的大小的方法
不同冷却条件及流向长度与散热齿片最佳齿间距的关系
冷却条件
流向长度(mm)
➢对通风条件较好的场合：散热器表面的热流密度小于 0.039W/cm2，可采用自然风冷。
➢对通风条件较恶劣的场合：散热器表面的热流密度小 于0.024W/cm2，可采用自然风冷。
➢对通风条件较好的场合，散热器表面的热流密度大于 0.039W/cm2而小于0.078W/cm2，必须采用强迫风 冷。
➢对通风条件较恶劣的场合： 散热器表面的热流密度大
75
150
225
300
自然冷却
6.5
7.5
10
13
1.0m/s(200)
气流量
–Cost of the heat sink 散热器的成本
▪The overall thermal resistance is
defined as:
整体的热阻为：
Rja = (Tj - Tamb)/P = Rjc + Rcs + Rsa
《电子设备热设计》
Copyright© 2010 BeiHang University
《电子设备热设计》
Copyright© 2010 BeiHang University
m值的意义
▪ 肋片材料和流体物性的函数 m U Ac
▪ U 为横截面周长，Ac为横截面面积
《电子设备热设计》
Copyright© 2010 BeiHang University
肋片散热器(heat sinks)的优化
Flow condition, m/s cm3-C/W
In3-C/W
Natural convection
500-800
30-50
1.0
150-250
10-15
2.5
80-150
5-10
5.0
50-80
3-5
《电子设备热设计》
Copyright© 2010 BeiHang University
▪ 散热器冷却方式的判据
▪ 自然冷却散热器的设计注意事项
➢考虑到自然冷却时温度边界层较厚，如果齿间距太小， 两个齿的热边界层易交叉，影响齿表面的对流，所以 一般情况下，建议自然冷却的散热器齿间距大于 12mm，如果散热器齿高低于10mm，可按齿间距 ≥1.2倍齿高来确定散热器的齿间距。
➢自然冷却散热器表面的换热能力较弱，在散热齿表面 增加波纹不会对自然对流效果产生太大的影响，所以 建议散热齿表面不加波纹齿。
= Q / (m.c.DTsA)
Q = the total heat flow 热流 m = the air mass flow rate 气流质量流量 c = the specific heat of the cooling fluid, and 冷 空气热容 DTsA = average temperature difference between heat sink and cooling fluid 散热器与冷空气之间的平 均温差
Heat Sinks
《电子设备热设计》
Copyright© 2010 BeiHang University
肋片散热器(heat sinks)的来由
《电子设备热设计》
Copyright© 2010 BeiHang University
•Newton’s law of cooling:
Q = h . A . (Tw - Tf)
优化软件
Cool-CAT, a free heat sink design software from AAVID, Inc.
Qfin, distributed by Applied Thermal Technologies
▪Cool-CAT 需要输入的参数有 –散热器的尺寸 –fin的数目和厚度 –散热器的高度 –芯片的功耗 –平均气流速度
肋片散热器 Heat Sinks
高红霞
gaohongxia@ 82338952 新主楼C座1006室
Copyright© 2008 BeiHang University
主要内容
▪ 来由 ▪ 性能 ▪ 优化 ▪ 选择与设计 ▪ 材料 ▪ 加工工艺
《电子设备热设计》
Copyright© 2010 BeiHang University
《电子设备热设计》
Copyright© 2010 BeiHang University
❖不同翅片厚度下散热器齿间距选择方法
《电子设备热设计》
Copyright© 2010 BeiHang University
▪ 宽度加倍，散热能力加倍
Tj=68.1C
Tj=67.1C
0.5”x1.5”x0.5” Tj=73.5C
➢自然对流的散热器表面一般采用发黑处理，以增大散 热表面的辐射系数，强化辐射换热。
➢由于自然对流达到热平衡的时间较长，所以自然对流 散热器的基板及齿厚应足够，以抗击瞬时热负荷的冲 击，建议大于5mm以上。
《电子设备热设计》
Copyright© 2010 BeiHang University
▪ 强迫冷却散பைடு நூலகம்器的设计注意事项
《电子设备热设计》
Copyright© 2010 BeiHang University
肋片效率
▪肋片实际散热量 Φ 与理想情况（即假定肋片材料
的导热系数为无限大，肋片上任一点温度均等于
肋根温度）下散热量 Φ0 之比
▪流体流过肋片散热器f 时热ΦΦ阻0 为
1 R
Af f
▪仅考虑了流体流过肋片表面的热阻，而未考虑肋
•增强传热的方式
–增加传热面积
–增强表面对流换热系数
•在电子设备的总尺寸、重量、所耗金属材料、流
阻性能增加不多的前提下，采用肋片散热器，其散 热量最大可增加一个数量级。
《电子设备热设计》
Copyright© 2010 BeiHang University
最简单的形式
《电子设备热设计》
Copyright© 2010 BeiHang University
application, we must consider four things:针对给定的应用选择散热器，我们必须考 虑以下四点：
–The overall thermal resistance from
junction to air, Rja
从结点到空气的热阻
–The available space 允许空间 –The amount of airflow available 可能的空
▪通常Rja随着下列因素提高而降低：
–heat sink size 散热器的尺寸
–fin数目
–air velocity around the heat sink 散热器周围空气流速 –对于给定的散热器，Rja随着气流速度提高而降低，到了一定程