散热基本理论分析

散热基本理论分析

【摘要】文章主要介绍散热基本理论，指出散热的三种主要方式，分别为导热、对流换热和辐射换热。三种散热方式在各行各业中的应用各有侧重，对流换热是计算机中最为主要的散热手段，辐射换热是各种高温热力设备中的重要换热方式，而对于TV背光系统，导热是最主要的散热方式。

【关键词】散热背光导热对流辐射

一、散热基本理论

热量的传递有导热、对流换热和辐射换热三种方式。导热指物体内的不同部位因温差而发生的传热，或不同温度的两个物体因直接接触而发生的传热，是最直接和常用的散热方式；对流换热指流体与温度不同的物体表面接触时，对流和导热联合起作用的传热，我们常见的风扇就是利用对流换热原理加快流体流动速度而进行散热。辐射换热指的是两个互不接触且温度不同的物体或介质之间通过电磁波进行的换热，这是各种工业炉、锅炉等高温热力设备中重要的换热方式。

二、导热

导热--物体内的不同部位因温差而发生的传热，或不同温度的两物体因直接接触而发生的传热。从定义中我们不难看出，无论是物体内部的热量传递还是物体与其他物体之间的热量传递都属于导热，传导过程中传递的热量按照Fourier（傅里叶）导热定律计算：Q=λA( Th-Tc)/ξ。其中λ指的是材料的导热系数，A指的是两个物体的接触面积，Th和Tc分别指的是高温和低温面的温度，ξ为两个面之间的距离。

从公式中不难看出导热的效果与材料的导热系数、接触面积和温差成正比，与两个面之间的距离成反比。

导热系数单位为W/（m*℃）表示了该材料的导热能力的大小，一般来说固体的导热系数大于液体，液体的导热系数大于气体，例如纯铜的导热系数高达400W/(m*℃)，纯银的导热系数约为236W/(m*℃)，水的导热系数就只有0.6W(m*℃)，而空气的导热系数更仅仅为0.025W(m*℃)。铝的导热系数高而且密度低，所以大多数的散热器都使用铝合金材料，当然如果为了提供散热性能，可以在铝条上增加铜成分或者使用铜散热器，但代价相对较大，因为铜的价格相对昂贵。

图1.导热

三、对流换热

对流换热--流体与温度不同的物体表面接触时，对流和导热联合起作用的传热，这是计算机系统设备上应用最为广泛的一种散热模式。根据流动的起因不同，对流换热可分为强制对流换热和自然对流换热。

前者是由于风扇或者其他外部动力源而促使的，而后者通常是由于流体自身的温度场的不均匀性造成不均匀的密度场，由此产生的浮升力成为流体运动的动力而进行换热。

对流换热的热量可以按照牛顿冷却定律进行计算：Q=hA（Tw-Tc），其中A为与热量传递方向垂直的面积，Tw和Tc分别为固体壁面和流体的温度。h为对流换热系数，单位为W(℃*m2)，一般自然对流是对流换热系数为1-10 W(℃*m2)，强制对流时对流换热系数为10-100 W(℃*m2)。

图2.对流换热

四、辐射换热

辐射换热--两个互不接触且温度不同的物体或介质之间通过电磁波进行的换热，物体表面之间通过热辐射进行换热的计算是非常复杂的，其中最为简单的是两个面积相同而且正对着的两个物体表面间的换热，它的计算公式为：Q=A*5.67e-8/（1/εn+1/εc-1）*（Tn4-Tc4）。式中Tn和Tc分别指的是高温和低温物体的绝对温度，εn和εc分别指的是高温物体和低温物体的发射率，发射率取决于物体的表面温度、自身材料和表面平整度，与外界和自身颜色无关。

PCB表面涂绿油，朔料外壳表面喷漆等都可以提高发射率从而提高辐射换热。人们常常会认为黑色会提高辐射换热效果，其实这个认识是错误的。一般物体温度低于 1.8K℃时，有意义的热辐射波长位于

0.38-100um之间，且大部分位于红外波段0.76-20um范围内，在可见光波段范围内，热辐射能量比重并不

大，所以物体自身颜色对热辐射不会有太大的影响。

五、TV背光散热系统分析

目前TV背光散热系统中主要是使用散热铝条将light bar的热量传递至背板，其主要方式为导热，公式为Q=λA( Th-Tc)/ξ。从公式中我们不难看出，导热的效果与材料的导热系数、接触面积和温差成正比，与两个面之间的距离成反比，所以要提高TV背光散热系统的散热效果有几个方法：

1.提高light bar与散热铝条和提高散热铝条与背板的接触面积，提高light bar与散热条的接触面

积这个方面可以使用导热胶来实现，而提高散热铝条与背板的接触面积需要增加散热铝条的面积和提高背板和散热铝条的平整度来实现；

2.提高导热系数λ，而导热系数与散热铝条的材质有直接关系，通过在铝条中掺杂铜或者直接使用铜

材料散热条都可以很好的改善散热效果，但价格昂贵；

3.使用热管将铝条中的热量转移至背板的其他位置，从而增加背板的散热面积。

六、小结

解决TV背光的散热问题并非只是结构工程师的问题，电子工程师在进行light bar的设计时也应该进行大面积的铺铜来降低light bar上LED的温度，只有大家一起合作才能更好的进行TV背光系统的设计。

参考文献

[1] 热设计培训教材,华为.

[2] FloTHERM基础培训.

[3] 赵惇殳.电子设备热设计,2009,03.