第5讲--肋片式散热器及冷板设计

电子设备热设计及分析技术第五讲电子设备用肋片式散热器及冷板设计2肋片式散热器附设于设备表面上的肋或伸展体，常用增加散热的有效面积。保证电子元器件电性能工作参数的稳定；保证电子元器件有足够的功率输出；因此，在设备的总尺寸、重量、所耗金属材料、性能增加不多的前提下，广泛采用肋片式散热器，增大其换热量。3肋片式散热器4肋片式散热器设计要求1根据肋片式散热器的传热特性设计肋片2肋片参数的优化3保证热源器件工作稳定、功率输出正常。工程应用中的若干问题1如何选用合适的肋片式散热器2散热器的材料与表面处理3散热器的正确安装5肋片式散热器分类按肋片形状等截面肋（矩形肋、圆形肋等）变截面肋（梯形肋、三角形肋等）按制造工艺叉指型散热器（适合中小功率电子器件的冷却）型材散热器（适合中功率电子器件的散热）6散热器图例7散热器图例8肋壁传热有肋面面积与无肋面面积的比值)/(1111221AAhkhk总换热量：散热器的热阻：9肋化系数的最优化10最佳肋间距－肋高11肋片式散热器传热方程已知：柱体的基部温度为t0，周围流体的温度为tf辐射流出系统的总热量间由对流与和在＋流出系统的总热量处由传导在＝系统的总热量处由传导流进在dxxxdxxx12肋片式散热器传热方程fttlxttx,,0)1(00/,,0)2(0dxdtlxttx)(/,,0)3(0ftthAdxdtkAlxttx注意三种不同的边界条件：m为肋片的材料和流体物性的函数0)(222fttmdxtd13肋片式散热器传热方程)()(00ffmxftthUkAQttett)(1)()()()()()()(00mlthmkhmkhmlthttkAmQmlshmkhmlchxlmshmkhxlmchttttfff14肋片增强换热的条件加肋有利的判据:（第二种边界条件）当ml足够大时显然材料的导热系数越大，越能满足上述条件，加肋越有利。15型材散热器的换热计算同样可用柱状散热片所导出的公式。一般Hδ，因此周长U可近似表示为：HHU2)(2垂直于热流的截面积：HAkhkAhUm216Biot毕渥数法则假设无肋片时，表面散热量为Q，有肋片时表面散热量为Qf，当QfQ时，肋片起增强散热的作用；Qf＝Q时，肋片不起作用；当QfQ时，肋片起减弱散热的作用。17Biot毕渥数法则根据型材肋片式散热器的传热性能，可推出12khBih—对流换热系数—肋片厚度—导热系数肋片起增强散热的作用。可见，Bi数反映了肋片内部导热热阻[δ/(2k)]与外表面对流热阻（1/h）的比值。当18Biot毕渥数法则对流换热系数小，则数小（肋片通常布置在换热系数较小的一侧，如空气）。iB判据导热系数大，肋片厚度薄，则小iBBi=0.25经验证实：对于等截面矩形肋和三角形肋，肋片起增强换热的条件为：12khBi19肋片换热量与肋片高度的关系0123mL320肋片换热量与肋片高度的关系mL3传热量与肋高的最佳关系21影响散热器性能的几何参数肋片高基座厚基座宽基座长上表面竖壁下表面肋片厚肋片间隙中间两肋片间距热源以典型散热器为例分析散热器各几何参数对散热器性能的影响。例如选定某一功率器件为热源，工作在自然冷却条件下，环境温度为30℃，功耗为3.2W，选取的散热器为型材散热器SYX－YDE，散热器各个几何参数如表所示。散热器相关几何参数肋片长（mm）肋片厚（mm）肋片高（mm）基座长（mm）基座厚（mm）肋片个数4429754822影响散热器性能的几何参数热源与散热器表面为金属与金属的干接触，无绝缘片也未涂硅脂或导热胶，未改变散热器任何参数时得到的有关热参数如表所示。初始相关热参数散热器热阻（℃/W）散热器最高温度（℃）热源结温（℃）7.0352.768.3723散热器肋片长度的影响其他几何参数和环境条件均保持不变，分析肋片长度不同时，散热器热阻和热源结温的变化，得到如表分析结果。肋片长度（mm）散热器热阻（℃/W）热源结温（℃）308.6673.644（原型）7.0368.37改变肋片长度时的分析结果比较肋片长度适当增加能减小器件结温，但是过分增加肋片长度不能确保热量传导至散热器肋片的末端，因此使传热受到影响，不能大大降低结温，反而使散热器重量增加太多。一般认为散热器的肋片长度和基座宽度之比接近1传热较好。24散热器肋片厚度的影响其他几何参数及环境条件均保持不变。为了保证散热器肋片的硬度，且易于加工，肋片厚度不能太薄，工程上一般设定肋片厚度≥1mm。改变厚度得到分析结果如表所示。改变肋片厚度时分析结果比较肋片厚度（mm）散热器热阻（℃/W）热源结温（℃）2（原型）7.0368.373.28（优化后）7.0268.3由于导热主要沿着肋片的纵向方向，因而肋片的厚度对散热器热性能没有太大的影响，肋片厚度的增加并没有使热源结温降低很多，反而增加了散热器的重量。同时改变散热器肋片厚度也大大增加了加工难度。25散热器肋片个数的影响改变肋片个数时分析结果肋片个数散热器热阻（℃/W）热源结温（℃）47.9471.288（原型）7.0368.3712（优化）6.4566.6一般随着肋片数目的增多器件结温会有所降低，但是超过某一数值后随着肋片的增多器件结温没有明显变化，而散热器重量明显增加。同时肋片数目增加有时还要考虑器件安装的问题，有的器件安装在散热器两肋片之间，如果肋片数太多，器件不易安装在散热器上。因而不能盲目增加肋片的数目。26散热器材料的影响散热器以对流和辐射形式散热。一般散热器的材料不同会引起散热器导热系数变化。改变散热器材料时分析结果散热器材料散热器热阻（℃/W）热源结温（℃）铝（煮黑氧化处理）7.0368.37普通铝（未处理）8.4572.91普通铜（未处理）8.3472.47铜（煮黑氧化处理）6.9768.127肋片表面形状的影响增加肋片的表面复杂度，对散热效果的改善非常有限。28影响散热器散热性能的其它因素分析界面热阻的影响接触热阻：在接触面涂覆硅脂可使接触热阻降低（20~50）%。绝缘衬垫热阻：SKRkcRkc：绝缘衬垫热阻（℃/W）；S：有效接触面积（cm2）；：绝缘片厚度（mm）；K：绝缘片的热导率。29功耗的影响影响散热器散热性能的其它因素分析热源功耗不同时的结温值热源功耗（W）热源结温（℃）1.7（未加散热器）51.03.25（型材SRX－YDE）66.597.91（型材SRX－YDE）109.55对于器件功耗为1.7W，未加散热器时，热源结温TjTjm（允许结温）,即不用散热器器件也能正常工作；当器件功耗为7.91W，安装同样的散热器时，热源结温TjTjm（允许结温），则选用的型材散热器不适合，需要重新选择合适的散热器。30环境温度的影响影响散热器散热性能的其它因素分析不同环境温度下有散热器热源的结温变化环境温度（℃）热源结温（℃）30.866.596094.7280113.9131肋片的散热效率2A2:散热器肋表面积32肋片效率的图解法33几种常见散热器横剖压延散热器折叠肋片式散热器有源散热器型材散热器34扇形散热器35散热器的扣式安装36373839404142页齿多、导热快、设计新颖、造型美观多肋散热片43多彩散热片44多彩散热片45不同制造工艺对散热器性能的影响Bonding46合理选取散热器RTj：器件内热阻RTc：接触热阻RTp：外热阻RTf：散热器热阻。TfTcTpTfTcTpTjTRRRRRRRR)(功率器件加散热器后的热阻网络47合理选取散热器RTp》（RTc+RTf）简化热阻网络RT＝RTj+RTc+RTf器件壳体直接向周围环境的换热热阻Rtp48散热器的热阻图AI49散热器的选择应用示例功率器件LM317是三端可调正稳压器，工作电路如图所示，设器件输入电压为25V，通过改变可调电阻R1可改变LM317的输出电压。工作时，器件LM317的工作电流为1.5A，发热较严重，为使功率器件正常可靠工作，需要安装合适散热器以满足功率器件的散热要求。50散热器的选择应用示例取三端可调稳压器LM317为热源，设环境温度为Ta＝30.8℃，实际测得器件LM317的功耗为Pc＝3.25W，由产品手册提供的器件技术数据，可知其最大允许结温为Tjmax＝125℃，本例采用Ⅲ级降额应使用，降额后允许结温为Tjm＝105℃。（1）计算系统允许最大热阻RTRT=＝22.8（℃/W）cPTaTjm51散热器的选择应用示例RTc＝＝0.4（℃/W）cPTTfc接触热阻Rtc(3)计算散热器允许最大热阻RTfRTf＝RT－RTc－RTj＝22.8－3－0.4＝19.4（℃/W）（2）计算功率器件与散热器的接触热阻RTc根据产品手册提供器件技术数据可得LM317内热阻为RTj＝3℃/W，实际测得器件金属端温度为Tc＝57.2℃，散热器的最高温度为Tf＝55.9℃。52应用示例（4）根据RTf和Pc选择散热器根据散热器允许最大热阻值RTf，查散热器手册，本例中初选散热器为型材散热器SRX－YDE（如图所示，散热器的肋片厚度为2mm，高度为9mm，肋片数为8，长度为44mm，基座厚度为4mm，宽度为75mm），在Pc＝3.25W时，R1Tf＝10.46℃/W。因为R1TfRTf，故选择合理。型材散热器SRX－YDE53散热器的优化设计经过初选合适散热器以后，功率器件通过散热器散热之后结温降低至允许结温之内。但是所选散热器可能散热面积太大，重量较重，即使能够对功率器件散热可是成本太高，无法满足航空航天设备体积小、重量轻的要求，即功率器件与散热器没有达到最优匹配，未实现散热器的最优化。当功率器件在安全结温内工作时，已优化的散热器的散热面积应达到最优、重量最轻，同时能保证功率器件安全可靠工作。54优化前散热器原型与理想优化及工程优化后散热器的结果分析质量（kg）肋片厚度（mm）高度（mm）长度（mm）基座厚度（mm）散热器热阻（℃/W）散热器最高温度（℃）热源结温（℃）未优化的原型0.0602.0134446.48851.0666.59工程优化0.0172.01.020411.99269.0184.48散热器的工程优化55散热器的材料：L2～L4(LY12)等散热器的表面处理散热器的颜色、表面粗糙度尽可能提高辐射换热能力化学防护（阳极氧化）散热器在工程应用中的几个问题散热器的安装：减小接触热阻（导热膏、导热脂、导热橡胶等)合理选用散热器的结构形式：梯形肋、三角形肋、流线型肋的比较56梯形肋、三角形肋、流线型肋的比较梯形肋结构简单，易于制造，但重量大。三角形肋体积和矩形肋相似，换热量相当，重量减轻30%左右；流线型肋片符合热流线分布规律，结构合理，重量较三角形肋片低3%~6%,但制造复杂，成本高。热阻值的比较：梯形肋三角形肋流线形肋57电子设备用冷板设计58气冷式冷板概述冷板是一种单流体热交换器，具有较大的换热面积(肋),流体通道的当量直径较小,换热系数较高。15.54523mW10液冷式59冷板的结构类型气冷式冷板以空气为介质，空气与冷板的对流带走电子设备耗散的热量。液冷式冷板以液体为介质，使其与冷板对流带走电子设备耗散的热量。储热冷板利用冷却剂在相变（固态液态）过程中吸收溶解热而达到冷却电子器件的装置。热管冷板将高效传热的热管与冷板相结合所组成的装置。60冷板换热的特点冷板上的温度梯度小，热分布均匀，可带走较大集中热负载。由于它采用间接冷却的方式，可使电子元器件不与冷却剂直接接触，减少各种污染（如潮湿，灰尘，以及包含在空气中其它污染物质的污染），提高工作的可靠性。与直接风冷相比，空气的损耗小，同时也便于改变空气的流量和入口温度，提高冷却效率。冷板装置的组件简单，结构紧凑，便于维修。61气冷式冷板典型气冷式冷板结构冷板的盖板、底板一般用铝板（如LF21）采用真空焊接工