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24
对流散热
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25
对流散热计算公式
Q = h A △t
Q ---- 对流散热量, W K ---- 换热系数, W/m2· ℃ A ---- 导体横截面积, m2 △t ---- 换热表面与流体温差, ℃
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热对流改善
R= 1 / h A
降低热阻
2500-25000
------------------
自然散热主要由两部分组成：辐射换热+自然对流。其中辐射换热占的 比例20~50%左右（跟物体温度及表面处理有关） 自然散热时，可以假设热交换系数10w/m2. ℃
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自然对流换热系数
竖直设置 水平设置向上 水平设置向下
姿势系数 代 表 长 度[ m ]
增加流体换热系数
增加换热面积
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常用冷却介质的对流换热系数表
单位：W/m2· ℃
介质 空气
自然对流 5-25
强制对流 20-100
水
油 水蒸气
200-1000
--------------------------------
1000-15000
50-1500 5000-15000
水沸腾
形状、大小
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流体相变变化
冷凝段
气态流体
蒸发段 液态流体
在热管中使用，受热的流体蒸发气化，将热量带到冷凝段。 流体在冷凝段冷却液化后，通过毛细作用流回蒸发段。
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强制对流和自然对流
自然对流
强制对流
强制对流散热系数远大于自然对流
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层流和紊流
层流
2
= 3.86 X
流 速[ m/s ] 流 动 方 向 上 的 长 度[ m ]
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对流换热改善
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改善对流换热系数的措施
流体相变变化
引起流动原因 流体流动形态
流体在气体和液体之间变化
强制对流和自然对流 层流和紊流
流体物理性质
传热面几何性质
比热容、导热系数、密度、黏度
目录
1.热设计简介
2.各种散热方式的影响因素 3.机顶盒散热设计
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2
热设计简介
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3
热设计核心
在热源至热沉之间提供一条低热阻通道
热
沉
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4
热传递方式 墙壁
空气
热能传递只有
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3种方式: 辐射、 传导、对流
5
各种散热方式的影响因素
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自然对流
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43
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44
自然对流需考虑的问题
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45
1.元器件布局是否合理
① 发热高且耐热原件放在出风口处， ② 不耐热原件放在进风口处，避免发热元件对不耐热元件的辐射影响，可采用
隔离措施；
③ 热流密度高的器件放在边缘与顶部，靠近出风口的位置，与其他发热元件和 热敏元件在空气上升方向上错开位置；
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纵向热阻减小
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面积与厚度之 间要取优化值
结论2：散热底板厚度增加，芯片有效散热面积增大
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横向热阻减小
19
散热过程三步骤
吸热
导热
散热
对流
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吸热底4个要求 吸热快
• 吸热底与发热设备间热阻小，可以迅速的吸 收其产生的热量 • 在去热不良的状态下，可以吸收较多的热量 而自身温度升高较少 • 传导相同功率热量时，吸热底与发热设备及 鳍片两个介面间的温差小
Q ---- 传导散热量, W K ---- 导热系数, W/m· ℃ A ---- 导体横截面积, m2 △t ---- 传热路径两端温差, ℃
L ---- 传热路径长度, m
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传导热阻的概念
由公式 Q = K A △t / L变形可得：
△t=Q L / K A
1
模仿电路电压和电流电阻关系的公式 U=IR,引入热阻概念，
13
减少热传路径长度措施
芯片封装外壳在保证机电性能前提下尽量薄
越薄越好！
导热膏或者导热垫尽量薄
越薄越好！
散热片的导热底尽量薄
越薄越好?
18页进一步 探讨
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选用导热系数高的材料
芯片封装材料
硅 99.9% 150
玻璃 1.09
树脂 2.16
三氧化二 铝 32
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④ 大功率器件应该分散布局，避免热量集中；
⑤ 不同尺寸元器件尽量均分布，使风阻均布。
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46
2.是否有足够自然对流空间
① 元器件与结构件之间保持13mm以上的距离； ② 相邻两垂直发热表面，D/L=0.25；
热 L
D
热
③ 相邻垂直发热表面与冷表面，Dmin=2.5mm;
④ 邻近的水平发热圆柱体和冷的上表面,d/D=0.85; ⑤ 邻近的水平发热圆柱体和冷的垂直表面,d/D=0.7；
6
传导散热
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传导散热
传导——在物体（固体）中传播的热能的传递 长度
截 面 积
两端温差
传 导 导 热 的 热 量( W) =
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导 热 率[ W /( m. ℃ ）] X 截 面 积[ m ] X两 端 温 度 差 [℃] 长 度[ m ]
8
2
传导散热计算公式
Q = K A △t / L
D 热 冷 L D 热 D 热 冷
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⑥ 邻近的水平发热圆柱体和冷的水平表面,d/D=0.65；
⑦ 进出风口尽量远离，避免气流短路。
冷 冷 热 D
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d
d
d
3.是否充分利用导热路径：导热材料将发热器件与机壳相连。
4.是否充分利用辐射散热路径；
5.使用散热器；
6.其他冷却技术：冷管
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一 律 为80℃
空 气4 0℃
= 3.86X
=2.44(W)
2 0.05
流速2m/s
X(0.05X0.05)X(80-40)
因为翼片有正反两面，所以每个翼片的散热量为4.88W. 因为翼片不可能做到均一温度分布，所以要引入翼片效率的概念，计算结果为81%， 则翼片散热量应该修正为3.97W
翼 片 效 率=
0.56 长度方向
0.52 纵X横X2 纵+横
2
0.26
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空 气 自 然 流 动 时 的 传 热 系 数[ W / ( m .℃ ）] 温 度 差[℃] = 2.5 X 姿 势 系 数X ( ) 代 表 长 度[ m ]
0 .2 5
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强制对流换热系数
长度
空 气 强 制 流 动 时 的 传 热 系 数[ W / ( m .℃ ）]
△t=Q R R= L / K A
2 3
结合公式1和公式2，得出热阻和导热系数的关系：
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10
热传导改善
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热阻的影响因素
R= L / K A
减少热传路径长度
降低热阻
选用导热系数高的材料
增加导热面积
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散热片导热热阻模型
Ta Ta Rsa Ts Rcs Tj Ts Tc Tc Rjc Tj
导热膏导热垫
种类 导热膏
导热胶 导热垫
厂家
SONY Bergquist
型号
UT6006W Gap pad 5000S35
导热系数 3.3
1.74 5
Dow Corning TC-5022
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散热片材料
纯铝 220
纯铜 386
纯银 418
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增加导热面积
结论1：散热片吸热底面积增加，芯片有效散热面积增大
975 800
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散热面积的改善
散热面积小
散热面积大
散热面积更大
流 体 方
向
流
体
方
向 流 体
方
向
难以冷却
容易冷却
最易冷却
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散热片散热因素的定量分析
散热面积 增加1倍 散热量增加1倍 散热面
流速
增加1倍 散热量增加0.4倍
气流 气流方向长度 减小到1/2 散热量增加0.4倍 热源
与气体温差 增加1倍 散热量增加1倍
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散热片散热计算实例
在80℃的散热板上，让40℃的空气平行流过的强制空冷散，求散发的热量。
50mm
对 流 传 热 的 热 量( W)= 传 热 系 数[ W / ( m . ℃ ）] X 截 面 积[ m ] X两 端 温 度 差 [℃]
2
2
50mm
tanh(m.d) m.d d:翼 片 长 度( m ) m: 翼片热传导率 翼片厚度 翼 片 热 传 导 率X 2
Tanh (X)=(ex-e-x)/(ex+e-x)
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散热片的规格选取
散热量 热源尺寸
总面积和吸 热底尺寸
求取散热片 总面积
确定吸热底 尺寸