电子第三讲-肋片散热器1-2011

Copyright©2008BeiHangUniversity肋片散热器HeatSinks高红霞[e-mail]82338952新主楼C座1006室Copyright©2010BeiHangUniversity《电子设备热设计》主要内容来由性能优化选择与设计材料加工工艺Copyright©2010BeiHangUniversity《电子设备热设计》HeatSinksCopyright©2010BeiHangUniversity《电子设备热设计》肋片散热器(heatsinks)的来由Copyright©2010BeiHangUniversity《电子设备热设计》•Newton’slawofcooling:Q=h.A.(Tw-Tf)•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。Copyright©2010BeiHangUniversity《电子设备热设计》最简单的形式Copyright©2010BeiHangUniversity《电子设备热设计》Copyright©2010BeiHangUniversity《电子设备热设计》肋片散热器(heatsinks)的性能Copyright©2010BeiHangUniversity《电子设备热设计》散热效率Heatsinkefficiencyisdefinedas:=Q/(m.c.DTsA)Q=thetotalheatflow热流m=theairmassflowrate气流质量流量c=thespecificheatofthecoolingfluid,and冷空气热容DTsA=averagetemperaturedifferencebetweenheatsinkandcoolingfluid散热器与冷空气之间的平均温差Copyright©2010BeiHangUniversity《电子设备热设计》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。Copyright©2010BeiHangUniversity《电子设备热设计》肋片效率肋片实际散热量与理想情况（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）下散热量之比流体流过肋片散热器时热阻为仅考虑了流体流过肋片表面的热阻，而未考虑肋片根部基壁表面对传热的影响。0fΦΦff1ARΦ0ΦCopyright©2010BeiHangUniversity《电子设备热设计》肋片表面效率有效传热面积与总传热面积之比带肋片壁面换热热阻为包含了流体对肋片表面的对流传热热阻及肋片的导热热阻，后者反映在表面效率上。)1(1)(1ffffp0AAAAA01ARCopyright©2010BeiHangUniversity《电子设备热设计》m值的意义肋片材料和流体物性的函数为横截面周长，为横截面面积cAUmUcACopyright©2010BeiHangUniversity《电子设备热设计》肋片散热器(heatsinks)的优化Copyright©2010BeiHangUniversity《电子设备热设计》肋片参数的优化随着肋片高度的增加，肋片的散热量必定增加？c0fth()()ΦmhAmtt1ch()mhth()mhf0fhf0c)(ttttttmAΦ)ch(1f0fmhttttCopyright©2010BeiHangUniversity《电子设备热设计》剖面型线剖面面积系数最佳关系表面效率最佳条件剖面面积最佳肋根厚最佳肋高11.4190.6270.500.6320.7980.51.3090.5940.3470.8280.8420.331.4140.5020.3331.01.020yhxy2020)(2hxymhCopyright©2010BeiHangUniversity《电子设备热设计》散热器的基板厚度优选Copyright©2010BeiHangUniversity《电子设备热设计》不同风速下散热器齿间距选择方法Copyright©2010BeiHangUniversity《电子设备热设计》不同翅片厚度下散热器齿间距选择方法Copyright©2010BeiHangUniversity《电子设备热设计》Tj=73.5CTj=70.8CTj=68.1CTj=67.1C0.5”x0.6”x0.5”0.5”x1.5”x0.5”1.5”x0.6”x0.5”0.5”x0.6”x1.5”宽度加倍，散热能力加倍fin的长度加倍，散热能力为1.4倍Copyright©2010BeiHangUniversity《电子设备热设计》Tj=64.0CTj=63.7C1.5”x1.5”x1.6”2.0”x2.0”x1.6”Copyright©2010BeiHangUniversity《电子设备热设计》Tj=73.5CTj=70.8CTj=68.1CTj=67.1CTj=64.0CTj=63.7CAluminumCopper1.5”x1.5”x1.6”1.5”x1.5”x1.6”Copyright©2010BeiHangUniversity《电子设备热设计》优化软件Cool-CAT,afreeheatsinkdesignsoftwarefromAAVID,Inc.Qfin,distributedbyAppliedThermalTechnologies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输出有–fin数目变化时散热器的效率–散热器的总体热阻Copyright©2010BeiHangUniversity《电子设备热设计》肋片散热器(heatsinks)的选择与设计Copyright©2010BeiHangUniversity《电子设备热设计》Toselectaheatsinkforagivenapplication,wemustconsiderfourthings:针对给定的应用选择散热器，我们必须考虑以下四点：–Theoverallthermalresistancefromjunctiontoair,Rja从结点到空气的热阻–Theavailablespace允许空间–Theamountofairflowavailable可能的空气流量–Costoftheheatsink散热器的成本Theoverallthermalresistanceisdefinedas:整体的热阻为：Rja=(Tj-Tamb)/P=Rjc+Rcs+RsaCopyright©2010BeiHangUniversity《电子设备热设计》通常Rja随着下列因素提高而降低：–heatsinksize散热器的尺寸–fin数目–airvelocityaroundtheheatsink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，到了一定程度，Rja降低量可以忽略不计，原因是边界层已完全形成。Copyright©2010BeiHangUniversity《电子设备热设计》VolumetricHeatSinkResistance(=Heatsinkvolume*RCA)(RcAiscasetoambientresistance)Flowcondition,m/scm3-C/WIn3-C/WNaturalconvection500-80030-501.0150-25010-152.580-1505-105.050-803-5HeatSinkResistance散热器的热阻Copyright©2010BeiHangUniversity《电子设备热设计》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于0.024W/cm2而小于0.078W/cm2，必须采用强迫风冷。散热器冷却方式的判据Copyright©2010BeiHangUniversity《电子设备热设计》主动和被动散热依照从散热器带走热量的方式，还可以将散热器分为主动散热和被动散热。前者常见的是风冷散热器，而后者常见的就是散热片。进一步细分散热方式，可以分为风冷，液冷，半导体制冷，压缩机制冷，液氮制冷等等Copyright©2010BeiHangUniversity《电子设备热设计》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。散热器设计的步骤Copyright©2010BeiHangUniversity《电子设备热设计》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。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。Copyright©2010BeiHangUniversity《电子设备热设计》强迫冷却散热器的设计注意事项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。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。Copyright©2010BeiHangUniversity《电子设备热设计》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3.532.525.0m/s(1000)543.32.52.5m/s(500)76541.0m/s(200)13107.56.5自然冷却30022515075流向长度(mm)冷却条件Copyright©2010BeiHangUniversity《电子设备热设计》不同形状、不同的成型方法的散热器的传热效率比较表1不同形状、不同的成型方法的散热器的传热效率很高78－90针装散热器/钎焊/插片成型散热器(冷板散热器)高45－48小齿间距铝型材较高25－32铲齿散热器较低15－22带翅片的压铸散热器/常规铝型材低10－18冲压件/光表面散热器成本参考传热效率，％散热器成型方法Copyright©2010BeiHangUniversity《电子设备热设计》肋片散热器的材料Copyright©2010BeiHangUniversity《电子设备热设计》HeatsinkmaterialThermalConductivity(W/m-C)ThermalCoeff