▪输出有 –fin数目变化时散热器的效率 –散热器的总体热阻
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肋片散热器(heat sinks)的选择与设计
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▪To select a heat sink for a given
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▪ 散热器设计的步骤
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。
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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。
➢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。
2h
y 0 ( x )2 0.33 1.414 0.502 0.333
2h
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1.0
1.0
❖散热器的基板厚度优选
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❖不同风速下散热器齿间距选择方法
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Heat Sink Resistance 散热器的热阻
Volumetric Heat Sink Resistance
(= Heat sink volume * RCA)
(RcA is case to ambient resistance)
➢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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❖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
冷却条件
流向长度(mm)
➢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
75
150
225
300
自然冷却
6.5
7.5
10
13
1.0m/s(200)
气流量
–Cost of the heat sink 散热器的成本
▪The overall thermal resistance is
defined as:
整体的热阻为：
Rja = (Tj - Tamb)/P = Rjc + Rcs + Rsa
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m值的意义
▪ 肋片材料和流体物性的函数 m U Ac
▪ U 为横截面周长，Ac为横截面面积
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肋片散热器(heat sinks)的优化
Flow condition, m/s cm3-C/W
In3-C/W
Natural convection
500-800
30-50
1.0
150-250
10-15
2.5
80-150
5-10
5.0
50-80
3-5
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▪ 散热器冷却方式的判据
▪ 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。
= Q / (m.c.DTsA)
Q = the total heat flow 热流 m = the air mass flow rate 气流质量流量 c = the specific heat of the cooling fluid, and 冷 空气热容 DTsA = average temperature difference between heat sink and cooling fluid 散热器与冷空气之间的平 均温差
Heat Sinks
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肋片散热器(heat sinks)的来由
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•Newton’s law of cooling:
Q = h . A . (Tw - Tf)
优化软件
Cool-CAT, a free heat sink design software from AAVID, Inc.
Qfin, distributed by Applied Thermal Technologies
▪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
肋片散热器 Heat Sinks
高红霞
gaohongxia@ 82338952 新主楼C座1006室
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主要内容
▪ 来由 ▪ 性能 ▪ 优化 ▪ 选择与设计 ▪ 材料 ▪ 加工工艺
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❖不同翅片厚度下散热器齿间距选择方法
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▪ 宽度加倍，散热能力加倍
Tj=68.1C
Tj=67.1C
0.5”x1.5”x0.5” Tj=73.5C
➢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。
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▪ 强迫冷却散பைடு நூலகம்器的设计注意事项
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肋片效率
▪肋片实际散热量 Φ 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 Φ0 之比
▪流体流过肋片散热器f 时热ΦΦ阻0 为
1 R
Af f
▪仅考虑了流体流过肋片表面的热阻，而未考虑肋
•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。
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最简单的形式
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application, we must consider four things:针对给定的应用选择散热器，我们必须考 虑以下四点：
–The overall thermal resistance from
junction to air, Rja
从结点到空气的热阻
–The available space 允许空间 –The amount of airflow available 可能的空
▪通常Rja随着下列因素提高而降低：
–heat sink size 散热器的尺寸
–fin数目
–air velocity around the heat sink 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