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[综合设计] 散热片的结构设计窍门!

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发表于 20-1-2024 13:41:15 | 显示全部楼层 |阅读模式

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一、自然对流散热片设计

散热片的设计可就包络体积做初步的设计,然后再就散热片的细部如鳍片及底部尺寸做详细设计

1、包络体积

散热片的结构设计窍门!w1.jpg

散热片的结构设计窍门!w2.jpg

2、散热片底部厚度

良好的底部厚度设计必须由热源部分厚而向边缘部份变薄,如此可使散热片由热源部份吸收足够的热向周围较薄的部份迅速传递。

散热片的结构设计窍门!w3.jpg

底部之厚度关系

散热片的结构设计窍门!w4.jpg

底部厚度和输入功率的关系

3、 鳍片形状

空气层的厚度约2mm,鳍片间格需在4mm以上才能确保自然对流顺利。

但是却会造成鳍片数目减少而减少散热片面积。

A、鳍片间格变狭窄-自然对流发生减低,降低散热效率。
鳍片间格变大-鳍片变少,表面积减少。

B、鳍片角度鳍片角度约三度。

散热片的结构设计窍门!w5.jpg

鳍片形状

散热片的结构设计窍门!w6.jpg

鳍片形状参考值

C、鳍片厚度

当鳍片的形状固定,厚度及高度的平衡变得很重要,特别是鳍片厚度薄高的情况,会造成前端传热的困难,使得散热片即使体积增加也无法增加效率

鳍片变薄-鳍片传热到顶端能力变弱
鳍片变厚-鳍片数目减少(表面积减少)
鳍片增高-鳍片传到顶端能力变弱(体积效率变弱)
鳍片变短-表面积减少

4、散热片表面处理

散热片表面做耐酸铝(Alumite)或阳极处理可以增加辐射性能而增加散热片的散热效能,一般而言,和颜色是白色或黑色关系不大。表面突起的处理可增加散热面积,但是在自然对流的场合,反而可能造成空气层的阻碍,降低效率。

二、强制对流散热片设计

增加热传导系数

(1) 增加空气流速这个是很直接的方法,可以配合风速高的风扇来达成目的,

(2)平板型鳍片做横切将平板鳍片切成多个短的部分,这样虽然会减少散热片面,但是却增加了热传导系数,同时也会增加压。当风向为不定方向时,此种设计较为适当。(如摩托车上的散热片)

散热片的结构设计窍门!w7.jpg

散热片横切

(3) 针状鳍片设计针状鳍片散热片具有较轻及体积较小的优点,同时也有较高的体积效率,更重要的是具有等方向性,因此适合强制对流散热片,如图九所示。鳍片的外型有可分为矩形、圆形以及椭圆形,矩形散热片是由铝挤型横切而成,圆形则可由锻造或铸造成型,椭圆形或液滴形的散热片热传系数较高,但成型比较不易。
    (4) 冲击流冷却利用气流由鳍片顶端向底部冲击,这种冷却的方式可以增加热传导性,但是须注意风的流向配合整体设计。

散热片的结构设计窍门!w8.jpg

针状鳍片散热片

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辐射状鳍片散热片

(3)对于常见的风扇置于散热片上方的下吹设计,由于须配合风扇特性,因此需做更精确的设计。轴流风扇由于有旋转效应,同时轴的位置风不易吹到,因此许多散热片设计成辐射状,如图十所示。也有些散热片的顶端设计成长短不一或是弯曲的形状用以导风。另外种方式是采用侧吹的方式,一般而言,侧吹方式的散热片由于气流可吹过鳍片,而且流阻较少,因此对于高且密的鳍片而言,配合顶端加盖设计以防止气流旁通(bypass),侧吹式比下吹式可有更好的效果。

三、业内通用散热器设计规范/经验

散热片的设计注意事项

 1:表面积越大散热效果越好.

 2:若散热片放置利于空气流通,可以提高散热效果.

 3:铜.铝导热效率高,是散热材料的首选.

 4:增加散热片的厚度比增加长度更有效(我司经验所得).

 5:表面阳极氧化处理,可抗氧化腐蚀,提高辐射能力,稳定散热效果.

 6:加工的经济实用性.

散热同等条件下的效果对比:

质量轻

氧化 使用寿命长

不氧化 使用寿命短

开槽 散热效果好

不开槽 散热效果差

叶片密度大 散热效果好(加风扇更好)

叶片密度小 散热效果差(加风扇好)

叶片高度高 散热效果好(加风扇更好)

叶片高度低 散热效果好(加风扇好)

底面厚度厚 吸热量大一点,散热量不一定。相对会好一点。

底面厚度薄 吸热量小一点,散热量不一定。相对会差一点。

四、散热器选择原则

用户选配散热器时,必须考虑以下因素:

① 模块工作电流大小,以决定所需散热面积;

② 使用环境,据此可以确定采取什么冷却方式——自然冷却、强迫风冷、还是水冷;

③ 装置的外形、体积、给散热器预留空间的大小,据此可以确定采用什么形状的散热器。一般而论,大多数用户会选择铝型材散热器。

五、散热器设计步骤

通常散热器的设计分为三步

1:根据相关约束条件设计散热器轮廓图。

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。

自然冷却散热器的设计方法

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。

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;




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