电子设备的热设计探析

电子设备的热设计探析
【摘要】目前电子技术的发展速度在不断的提高，一些大功率和高功率的的元器件得以广泛的研制出来，而在对这些电子元器件进行合理时，则需要对其散热性进行充分的考虑，做好热设计工作，从而确保电子元器件性能的可靠性。

本文对电子设备散热设计的一般原则进行了分析，并进一步对热设计的主要技术进行了具体的阐述。

【关键词】电子设备；散热；热设计；原则；技术
1.引言
目前电子元器件开始向小型化、微型化、高集成化和微组装的方向发展，这就有效提高了电子设备的性能，同时电子设备的体积也在不断的向小型化方向发展，这就给电子设备的热设计带来了较大的难度。

由于电子设备是由若干个电子元器件组成的，而当电子设备处于通电状况时，这些电子元器件则会产生大量的热量，导致设备内部的温度不断的升高，而当温度升高到一定程度时，则会使设备的正常运行受到影响。

所以对于电子设备的结构设计时，其散热设计是其中极为关键的部分。

据一项不完全统计表明，元器件所处环境温度每升高10度，则其可靠性则会降低一半，这充分的说明了温度的升高对电子元器件性能的影响。

所以为了有效的保证电子元器件能够安全可靠的工作，确保其使用寿命，则需要加强其热设计的水平，使其具有良好的散热性。

2.热设计的一般原则
2.1 热量传递的方式
通常情况下热量传递的方式有三种，即传导、对流和辐射。

当两个物体直接接触在一起时，其热量会在直接接触的物体之间进行传递，即是热量通过传导的方式进行传递；而对流是指发热物体周围具有流动性的介质，热量通过介质的作用进行转移，即所说的对流，由于介质运动的原因不同，所以对流可分为自然对流和强迫对流两种。

而当物体温度升高时，其内部的能量则会通过电磁波的方式向外辐射，而辐射出去的能量落在其他物体上，会有一部分能量被物体吸收，从而转化为热能。

2.2 散热方式的选择
由于电子设备存在着若干个电子元器件，其设备的结构也较为复杂，这样电子设备结构内部的热传递方式则不可能是一种，许多时候是三种方式同时存在，而且相互影响。

所以对于散热方式的选择需要根据电子元器件的参数和使用环境来确定。

对于潮湿环境下使用的电子元器件，则需要在散热时采用密闭设计。

而对于不需要密闭设计的电子设备，则其散热方式选择自然散热，而对于发热量较大的设备，则需要安装一定的加快散热的设备或是利用强制风冷来进行散热。

2.3 元器件布局
元器件作为电子设备的重要组成部分，其在设备内部的布局直接影响了电子设备的散热效果。

这就需要在热设计时对设备的各热源发热情况、元器件的参数等进行充分的掌握，从而对设备的内部温度区进行合理的设计。

而在设计时对于元器件布局所采取的基本原则如下：首先时将发热量较大的元器件放置在腔体上部或是靠近出风口处，而散热性能较差的机箱下部及进风口处则放置不发热及发热量小的元器件；其次，需要将发热量大的元器件进行分散布置，以达到温度的均匀性，同时一些热敏元器件要远离发热量较大的器件，或是利用隔热材料进行隔离。

2.4 结构材料的选择
电子设备结构的材料需要选择导热系数较高的材料。

2.5 导热接触面要求
在确保导热接触面在尽量大，而且在保证导热接触面处于平整的状态下，而且为了确保接触面紧密接触，则需要采用涂导热酯和垫导热垫，从而避免接触电阻的产生。

3.热设计主要技术
3.1 空气自然对流冷却技术
这种技术是利用设备中各个元器件的空隙以及机壳的热传导、自然对流和辐射来达到冷却目的，是一种安全、可靠和不需外加动力的冷却方式，一般应优先考虑。

但当电子设备的热流密度超过0.08W/cm2时，这种冷却方法就已经不能够解决它的冷却问题了。

3.2 空气强迫对流冷却
此种技术不仅设计较为简单，而且在使用上具有较大的便利性，经济性较好，所以其应用较为广泛。

但此种技术由于空气比热容小，而对噪音限制的开发部下风速还不能太大，所以空气冷却能力通常情况下都不会超过1.0W/cm2。

但由于强迫风冷的优点较多，所以为了提高冷却能力，对这种技术的研究一直没有间断过，力求有所突破，从而更好的提高该技术的冷却能力。

3.3 中、高功率密度的电子设备常用强迫气体或强迫液体冷却方法
利用强迫气体和强迫液体来控制热点温度，其中最常用的冷却装置就是冷板。

它属于一种单相流间接冷却技术，可靠性较高，结构简单紧凑，表面传热系数高，温度梯度较小，热分布均匀，可带走较大的集中热负荷。

3.4 液体冷却
因为高效紧凑，在大热流度芯片冷却上得到了广泛的应用，从而成为各国研究的热点。

液体冷却可以是单相的，也可以是两相的，气液相变的冷却由于利用了冷却剂的相变潜热，所以冷却效果更好。

主要包括直接冷却或间接冷却；气液相变冷却；液体射流冲击冷却；滴液及喷淋冷却等。

3.5 相变冷却技术
此种技术是利用相变材料的相变过程来实现降温的，其不仅具有较高的换热效率，而且温度分布较为均匀，具有非常好的可靠性。

近年来，随着研究的深入进行，相变冷却技术的冷却效果非常明显。

3.6 热电制冷
它的优点是无噪声和震动，体积小，结构紧凑，操作维护方便，不需要制冷剂，制冷量和制冷速度可通过改变电流大小来调节。

它在恒温和功率密度大的系统中得到了广泛应用，同时还可以用来冷却低温超导电子器件。

克服热电制冷器冷量小和制冷系数低的不足，提高制冷器能效比及其经济性，是热电制冷设计和使用的关键。

3.7 随着热管技术的持续发展及应用，热管散热已经成为一种很有前途的新型散热方式
典型的毛细热管在工作时，液体工质在蒸发段被热流加热蒸发，其蒸汽经过绝热段流向冷凝段。

在冷凝段蒸汽被管外冷流体冷却放出潜热，凝结为液体；积聚在冷凝段吸液芯中的凝结液借助吸液芯的毛细力的作用返回到蒸发段再吸热蒸发，一直如此往复循环。

热管传热能力高，均温性好，具有可变换热流密度的能力，具有良好的恒稳特性，而且可以制造成体积很小，重量很轻的产品。

3.8 微通道技术
在定向硅片上或者在基板上利用各向异性蚀刻等技术制造出微尺度通道，液体在流过微通道时通过蒸发或者直接将热量带走。

它是利用微尺度换热的特殊性来达到高效冷却的目的，是各国研究的热点。

研究表明，液体在微通道内被加热会迅速发展为核态沸腾，此时液体处于一个高度不平衡状态，具有很大的换热能力，通道壁面过热度也比常规尺寸下的情况要小的多。

而且实验证明冷却液体即使是单相流经微通道，其冷却效果也比常规尺寸下利用液体核态沸腾来冷却时要好的多。

4.结束语
我国颁布了关于电子设备热设计的统一标准，这就使热设计在设计时有了基
本的依据，近年来，对于热设计技术的相关研究不断的进行，使热技术不断的发展和完善，对提高电子设备的可靠性起到极其重要的作用。

虽然一些导热系数较高的材料不断的研制，这些材料一旦能够达到普及，那么将会极大的提高当前电子设备的散热技术。

参考文献
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[3]张斌.电子设备的热设计研究[J].装备制造技术，2012（1）.
[7]郝云刚，刘玲.电子设备的热设计[J].兵工自动化，2010（2）.。