电子散热要诀

电子散热要诀夏俊峰2011.01.12本文简述LED应用中的一些散热设计方法。本文没有详细对每种散热方法的实验方法或实际案例和数据的介绍。本文只是针对方法做介绍，目的是起到提示、授人与渔的作用，故题目及内容就是“要诀”。本文的结论都是经过实验验证的，希望读者也能够根据理论、根据要诀去实验，自己得出需要的数据和经验。目录1散热的基本理论2散热设计的一般原则3散热设计的一些错误认识4散热器材料的选择5散热器表面处理6散热器放置方式7翅片设计的问题8自然散热与强迫风冷9热源与散热器间的介质10烟筒的作用及设计11铜材散热器还是铝材散热器12关于铝基板版权所有转载请注明出处1.散热的基本理论理论是很多人经过了很多年不断地实践而总结、并经过重复验证的规律。学好理论，就能有目标地实践，少走弯路。对于理论，也要搞清它的适用条件。1.1比热容与温升在初中物理就讲到这方面的内容。物体吸收或放出的热量与温度变化的关系如下：Q＝Cm（T2－T1）＝CmΔT(1)式中：Q：吸收的总热量C：比热容m：物体质量T1：物体吸（放）热前的温度T2：物体吸（放）热后的温度ΔT：物体吸（放）热前后的温度差千万要注意：公式（1）是在理想绝热、稳态的情况下的计算公式！1.2传导散热相关的理论公式：Q＝kSΔT/L（2）式中：Q：传导热量（W）k：导热系数（W/m2K)S：截面积（m2）ΔT：温度差（K）L：传导路径长度（m）从公式（2）可见，单位时间内传导的热量与众多因素相关。就形状基本相同的不同材料的散热器，导热系数是影响导热的重要因数。对相同的材料，传热路径的截面积是影响传热的重要因素。1.3辐射散热相关的理论公式：Q=εσST4（3）式中：Q：辐射热量（W）ε：表面辐射率（W/m2K）σ：黑体辐射常数，5.68×10－8（W/m2K2)S：辐射表面积（m2）T：绝对温度（K）在辐射散热中，虽然散热量和温度的四次方成正比，但是由于公式中的常数值很小，所以将温度的影响给“压”了下来，使得影响散热的主要因素归结于表面辐射率和表面积。公式（3）是理想黑体的辐射计算式，对于实际的散热系统，情况就比较复杂了。辐射体还会受到其它热源的影响。比如，翅片式散热器，一个翅片还会吸收和反射其它翅片的能量。散热器的几何形状、相对位置等也会对辐射造成影响。因此，在公式（3）中还应增加一个反映这种影响的系数——角系数。公式（3）可以变换为：版权所有转载请注明出处Q=σFT4（4）式中F为角系数。关于角系数的计算比较复杂，有兴趣的读者可以看看有关传热学的书籍【1】。1.4对流散热Q＝hSΔT（5）式中：Q：对流热量（W）h：热对流系数（W/m2K)S：有效面积（m2）ΔT：表面与流体的温差（K）在对流散热设计中，散热器的表面积是一个重要的因素。2.散热设计的一般原则首先要确定，热源的功率是多少。其次要确定，希望经过散热后，热源的稳定温度是多少。第三要确定，电器上可用的空间有多大。第四要确定，采用何种散热方式。自然散热、风冷散热、水冷散热，等等。特别指出，对于自然散热、尤其是在较低温度下散热时，辐射散热是一个重要因素。3.散热设计的一些错误认识3.1散热器温度低就好。这种认识不正确。散热器的尺寸、结构不同，你所说的温度低是指什么地方？比如，某种材料的散热板，一面温度很高，一面温度很低，能说明温度低的一面散热好吗？这只说明该散热器材料导热能力很差。考察散热能力，是要看将热源的温度降低了多少，而不能看散热器的温度高低。更何况，你所说的散热器温度是指散热器的什么地方？不加指定就毫无意义。散热器的温度高低问题，除去考虑散热的能力外，就是要考虑对周围是否有危害。比如，人员触及是否可能烫伤。3.2散热器要选用热容大的材料。这种认识多数情况下不正确。只有在短时间内才工作的情况下，才应该考虑散热器的热容量问题。热容大相比于热容小，不过是温度升高的时间长短而已，稳态后热源的温度还是只与散热器的表面状况有关。所以，长时间工作时，无须考虑散热器的热容量问题。3.3对“烟筒”的认识。似乎有通道就叫烟筒。对自然散热的情况，这种认识会带来不良的设计。（详见第10节）版权所有转载请注明出处4.散热器材料的选择散热的目的是要将热源的热量散失到大气环境中。因此，要求热源的热量能快速传导到散热器上，并能快速传导到散热器的表面，并通过表面快速散失到大气环境中。所以，选择散热器的材料，就要求导热率要高，表面发射率要高。再者就是要有经济性和适用性，就是成本、重量等因素。银的导热率很高，但表面发射率很低，价格也很高，不具备做散热器的实用性。铜的导热率也很高，但表面发射率也很低，重量大，价格高。铝的导热铝也不低，表面发射铝高于铜，重量较轻，价格相对低。但纯铝比较软，不适合采用。通常电子散热器都是采用合金铝。它的导热系数比较高，表面热发射率问题可以通过表面处理来提高。这方面请看下节内容。其它的金属因为导热率、发射率、价格等因素，不适合做电子散热器。实际上，铜的表面做些处理也可以提高热发射率。那么做散热器，应该采用铜材还是合金铝材？请看第9节的内容。现在出现了用导热陶瓷、导热塑料等来做散热器的情况。有关于此，本人有另文详述。本文不再赘述。只给出结论。以现阶段这些氧化铝陶瓷散热器、导热塑料散热器的表现来看，尚不宜采用。5．散热器表面处理通常我们用的散热器，都是采用的铝合金材料。仅仅采用直接挤压或铸造出来的散热器，也能基本满足使用。但是，由于铝材料本身的本色表面的热发射率比较低，通过一些表面处理，可以提高表面发射率，适当提高散热能力。散热器的表面处理，对自然散热会有一些帮助，但不要期望太高。一般有3℃～5℃的改善。通常对散热器表面处理的方法有：阳极氧化、喷漆、喷涂料等。阳极氧化后，可以根据需要染上各种颜色。通过这种氧化工艺染色后，颜色对散热的影响，本人没有仔细研究过。不过，颜色是人眼对可见光的反应，物体对各种电磁波都不存在颜色反应。只不过不同染料对电磁波的辐射、反射能力有多大影响，需要有人进一步研究。一般使用来看，这种颜色的影响是不大的，可以忽略。油漆的表面热发射率比铝要高很多。所以，在铝表面喷上一层漆，应该对散热有帮助。但是，由于油漆是热的不良体，漆层太厚，势必会影响到散热器表面的热量传导到漆层的表面，反而会影响散热。据某些人研究，这种热不良体的涂覆厚度有一个最佳值，太薄，作用不大；太厚则不好。根据实验，油漆的颜色对散热性能几乎没有影响。某些厂商研究的散热涂料，或号称纳米散热涂料，其实，它的作用跟油漆的道理基本一样，主要是提高了表面热发射率。目前来看，这类涂料的导热系数很低，所以，它的散热道理和油漆一样。从实际测试的情况看，阳极氧化黑色散热器的散热效果是最好的。某纳米散热涂料的散热效果很接近阳极氧化的效果，略微差些。喷漆的散热效果比铝本色的效果要好。从上面的分析，大家要明白，理论是正确的。我们通过理论就可以简单地、定性地分析散热问题。铝表面阳极氧化，铝氧化物本身导热也比较好，氧化铝的表面热发射率也较铝本质高，其内部热量很快传导到表面再辐射出去，所以散热好。涂料和喷漆，由于它们都是绝热体，虽然表面热发射率高，但是，铝表面的热量传导到漆中的能力受阻，因此散热效果不如阳极氧化。可以预测，只有表面涂料的导热系数大于氧化铝时，才有更好的实用意义。版权所有转载请注明出处6.散热器放置方式散热器通常是有与热源接触的基板和散热翅片。散热的主要部分是翅片。根据热源能量的大小和需要保持热源的温度值来设计需要的散热面积。注意，散热面积指的是直接与大气环境相接触的面积。散热器的放置方式对散热效果是有影响的。使用散热器时，散热器的放置方式一般有3种：①基板垂直、翅片水平；②基板水平、翅片朝上；③基板垂直、翅片竖直。对于第①种放置方式，翅片阻挡了热空气的向上流动，散热效果是最差的。对于第③种放置方式，热空气易于向上流动，并且高度较高时，会有一定的烟筒效应（但是比较微弱，还要视热源的放置位置而定），所以散热比较好。对于第②种放置方式，散热效果介于上述两种方法之间。应该是翅片较低、烟筒效果弱的原因。若是对散热器翅片做些加工处理，第①种方式的散热效果也可接近第②种方式。对散热性能的改善，还需在翅片的设计上做文章，比如翅片的厚度、高度、间距等。这里不再详述。大家自行研究。7.翅片设计的问题翅片散热器的设计中，要考虑好翅片的厚度、高度、间距等。翅片厚度影响翅片的截面积，影响翅片的热阻。翅片高度较高的话，厚度要适当增加。根据上面讲的辐射理论，具有翅片的散热器，翅片间的相互辐射影响是存在的，所以，翅片间的距离、几何形状等对散热器的散热效果有着很大的影响。实验证明，在自然散热的情况下，翅片型散热器并不是翅片多、密就好。不能简单地为了增加“表面积”而减小翅片间距来增加翅片数量。我们可以看到，有些散热器的翅片上有波纹状凸条。具有波纹的翅片，有效散热面积会增加。但是针对散热器的不同放置方式和是否采用风冷，波纹是否必要、以及波纹的峰高设计，是必须认真考虑的。对于上节中第②种散热器放置方式，在自然散热的情况下，波纹会影响空气的流动。波纹的峰谷差越大，影响越大。如果是采用强迫风冷，则应该考虑在有限的外围体积限制的情况下，尽量设法增大表面积。对于用片材组合的散热器，则可以在片材表面上压凹坑、凸点、甚至为空气流通而打穿孔。这些方法对自然散热效果不大。翅片上应开出一些通槽做为出风通道。版权所有转载请注明出处8.自然散热与强迫风冷采用自然散热时，要很好地注意上面所讲的几个事项。采用强迫风冷时，要注意风扇与散热器的距离，避免产生噪音。要有合理的进风和出风。风扇强迫风冷的方式，可选择悬挂位置较高的的灯具采用。这样噪音的影响可以减到最小。还要考虑一个问题，风扇出现故障后，被散热体温度过高的保护。采用强迫风冷时，风离开散热器后，应该采用开放式的出风，不要经过四周封闭的风道。风道会增加空气阻力，降低空气流速，降低散热效果，同时会产生噪音。9.热源与散热器间的介质热源与散热器之间是否需要加装导热介质？采用什么材料？如何使用？这是很多人困惑的事。而那些卖导热介质的厂商又把导热介质的功能加以神话般的宣传，更使得做散热的人对导热介质的使用趋之若鹜，以致于走入误区，做出了错误的举动，使得产品的热性能更差。热源与散热器的接触面之间之所以要加中间介质，是因为通常接触面不够平整和光滑，通过“导热”介质来填充两面之间的气隙。因为封闭在两个平面内的空气，是绝热物质。而填充这些气隙的物质，所谓“导热”也是相对绝热的空气而言的，从导热的要求看，它们是导热非常不好的材料。所以，使用这些介质时，一定要非常地薄！如果接触面很平整、光滑，可以不用任何导热介质反而会有最好的效果。因为它们有最大的金属直接接触面积。若使用了“导热”介质，由于这些介质很难薄到两平面有金属直接接触的程度，由此必定增加热阻。柔性或胶性的“导热”介质，如导热硅胶、导热硅胶垫等，其导热系数实际是非常低的，所以，它们的导热系数值已不是重点。我举个极端的例子，在两个紧密接触的平面间采用接近绝热的水做中间介质，比任何所谓的导热介质的效果都要好！但是水很快就会挥发，并不实用。这个例子只是帮助大家理解中间介质的真正作用。为什么两平面间用近乎绝热的水做中间介质反倒会有最好的传热效果？请读者自己分析。实验很简单，读者可以试试。至于使用一些导热非常好的材料做中间介质，比如用铜板、均热板、石墨板等，大家要明白用途。这种板材的使用，主要目的不是填充两个平面间的气隙，而是为了横向扩展热流。这种用法适用于热源和散热器的接触面相差非常大的情况。而且，使用这样的板材后，在热源面和散热器面之间又多出一个接触面，这样以来，就有了两个接触面，在这两个接触面之间，仍然可能需要导热介质。所以，对于非集中式热源，切勿使用这类固体扩散热的板材，不会有什么好的效果。加工工艺和装配上的不精细，反而会有坏的效果。读者可以看参考资料【2】。版权所有转载请注明出处10.烟筒的作用及设计通常灯具的形状和体积限制，对散热器设计烟筒是比较困难的。烟筒的设计是有讲究的。看到有些散热器设计成中空式的结构，但是要达到烟筒效