第5讲 肋片式散热器及冷板设计

功率器件加散热器后的热阻网络 RTj：器件内热阻 RTp：外热阻 RTc：接触热阻 RTf：散热器热阻。
46
合理选取散热器
RTp 》（RTc+ RTf）
器件壳体直接向周围环境的换热热阻Rtp
RT＝RTj+RTc+RTf
简化热阻网络
47
散热器的热阻
图AI
48
散热器的选择应用示例
功率器件LM317是三端可调正稳压
29
影响散热器散热性能的其它因素分析

环境温度的影响
不同环境温度下有散热器热源的结温变化
环境温度（℃） 30.8 60 80 热源结温（℃） 66.59 94.72 113.91
30
肋片的散热效率
2
A2: 散热器肋表面积
31
肋片效率的图解法
32
几种常见散热器
横剖压延散热器
有源散热器
折叠肋片式散热器
接触热阻Rtc RTc＝
Tc T Pc
f
＝0.4（℃/W）
(3)计算散热器允许最大热阻RTf
RTf ＝RT －RTc－RTj＝22.8－3－0.4＝19.4（℃/W）
51
应用示例
（4）根据RTf 和Pc选择散热器
根据散热器允许最大热阻值RTf，查
散热器手册，本例中初选散热器为型材散
热器SRX－YDE（如图所示，散热器的肋 片厚度为2mm，高度为9mm，肋片数为 8，长度为44mm，基座厚度为4mm， 宽度为75mm），在Pc＝3.25W时， R1Tf ＝10.46℃/W。 因为R1Tf< RTf，故选择合理。
结温内工作时，已优化的散热器的散热面积应达到最优、重量
最轻，同时能保证功率器件安全可靠工作。
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散热器的工程优化
优化前散热器原型与理想优化及工程优化后散热器的结果分析
肋片 厚度（ mm） 2.0 2.0 高度 （mm） 13 1.0 长度 （mm） 44 20 基座 厚度 （mm） 4 4 散热器 热阻 （℃/W） 6.488 11.992 散热器最 高温度 （℃） 51.06 69.01 热源 结温（ ℃） 66.59 84.48
由于导热主要沿着肋片的纵向方向，因而肋片的厚度对散热器热性能没 有太大的影响，肋片厚度的增加并没有使热源结温降低很多，反而增加了 散热器的重量。同时改变散热器肋片厚度也大大增加了加工难度。
24
散热器肋片个数的影响
改变肋片个数时分析结果
肋片个数 4 8（原型） 12（优化） 散热器热阻（℃/W） 7.94 7.03 6.45 热源结温（℃） 71.28 68.37 66.6
x 0, t t0 (3) x l ,kA dt / dx hA(t t f )
12
肋片式散热器传热方程
t t f e mx (t0 t f ) Q hUkA(t0 t f )
h chm(l x) shm(l x) mk t t f (t0 t f ) h ch(m l) sh(m l) mk h th(m l) mk Q kAm(t0 t f ) h 1 th(m l) mk
换热量。
2
肋片式散热器
3
肋片式散热器

设计要求
1 根据肋片式散热器的传热特性设计肋片 2 肋片参数的优化
3 保证热源器件工作稳定、功率输出正常。

工程应用中的若干问题
1 如何选用合适的肋片式散热器 2 散热器的材料与表面处理 3 散热器的正确安装
4
肋片式散热器分类
按肋片形状 变截面肋（梯形肋、三角形肋等） 叉指型散热器（适合中小功率电子器件的冷却） 型材散热器（适合中功率电子器件的散热） 等截面肋（矩形肋、圆形肋等）
型材散热器
33
扇形散热器
34
散热器的扣式安装
35
36
37
38
39
40
41
多肋散热片
页 齿 多 、 导 热 快 、 设 计 新 颖 、 造 型 美 观
42
多彩散热片
43
多彩散热片
44
不同制造工艺对散热器性能的影响
Bonding
45
合理选取散热器
RT RTj
RTp ( RTc RTf ) RTp RTc RTf
竖壁
例如选定某一功率器件为热源，工作在自然冷
下表面
基 座 宽
却条件下，环境温度为30℃，功耗为3.2W，选 取的散热器为型材散热器SYX－YDE，散热器各
基座长
热源
个几何参数如表所示。
散热器相关几何参数
肋片长 （mm） 44 肋片厚 （mm） 2 肋片高 （mm） 9 基座长 （mm） 75 基座厚 （mm） 4 肋片个数 8 21
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型材散热器SRX－YDE
散热器的优化设计
经过初选合适散热器以后，功率器件通过散热器散热之后 结温降低至允许结温之内。但是所选散热器可能散热面积太大， 重量较重，即使能够对功率器件散热可是成本太高，无法满足 航空航天设备体积小、重量轻的要求，即功率器件与散热器没 有达到最优匹配，未实现散热器的最优化。当功率器件在安全
其他几何参数和环境条件均保持不变，分析肋片长度不同 时，散热器热阻和热源结温的变化，得到如表分析结果。
改变肋片长度时的分析结果比较 肋片长度（mm） 30 散热器热阻 （℃/W） 8.66 热源结温（℃） 73.6
44（原型）
7.03
68.37
肋片长度适当增加能减小器件结温，但是过分增加肋片长度不能确保热 量传导至散热器肋片的末端，因此使传热受到影响，不能大大降低结温，反 而使散热器重量增加太多。一般认为散热器的肋片长度和基座宽度之比接近 1传热较好 。
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散热器肋片厚度的影响
其他几何参数及环境条件均保持不变。为了保证散热器肋片的硬度，且易
于加工，肋片厚度不能太薄，工程上一般设定肋片厚度≥1mm。改变厚度得 到分析结果如表所示。 改变肋片厚度时分析结果比较
肋片厚度（mm） 散热器热阻（℃/W） 2（原型） 3.28（优化后） 7.03 7.02 热源结温（℃） 68.37 68.3
质量（kg） 未优化 的原型 工程 优化 0.060 0.017
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散热器在工程应用中的几个问题

散热器的材料： L2～L4 (LY12) 等
尽可能提高辐射换热能力

散热器的表面处理 化学防护（阳极氧化） 散热器的颜色、表面粗糙度

散热器的安装：
减小接触热阻（导热膏、导热脂、导热橡胶等)
合理选用散热器的结构形式：
器，工作电路如图所示，设器件输入 电压为25V，通过改变可调电阻R1可
改变LM317的输出电压。工作时，器
件LM317的工作电流为1.5A，发热较 严重，为使功率器件正常可靠工作， 需要安装合适散热器以满足功率器件 的散热要求。
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散热器的选择应用示例
取三端可调稳压器LM317为热源，设环境温度为Ta＝30.8℃，实际测得 器件LM317的功耗为Pc＝3.25W，由产品手册提供的器件技术数据，可知其 最大允许结温为Tjmax＝125℃，本例采用Ⅲ级降额应使用，降额后允许结 温为Tjm＝105℃。
11
肋片式散热器传热方程
d 2t 2 m (t t f ) 0 2 dx
m为肋片的材料和流体物性的函数
注意三种不同的边界条件：
x 0, t t0 (1) x l , t t f
x 0, t t0 ( 2) x l , dt / dx 0
hU 2h m kA k
15
Biot 毕渥数法则
假设无肋片时，表面散热量为Q，有肋片时表面散热量为Qf， 当 Qf>Q时，肋片起增强散热的作用； Qf＝Q时，肋片不起作用； 当 Qf<Q时，肋片起减弱散热的作用。
16Leabharlann Baidu
Biot 毕渥数法则

根据型材肋片式散热器的传热性能，可推出
h k

2 1
电 子 设 备 热 设 计及分析技术
第五讲 电子设备用肋片式散热器及 冷板设计
肋片式散热器
附设于设备表面上的肋或伸展体，常用增加散热 的有效面积。
保证电子元器件电性能工作参数的稳定；
保证电子元器件有足够的功率输出；
因此，在设备的总尺寸、重量、所耗金属材料、性
能增加不多的前提下，广泛采用肋片式散热器，增大其
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肋片增强换热的条件
（第二种边界条件） 当ml足够大时
加肋有利 的判据:
显然材料的导热系数越大， 越能满足上述条件，加肋越 有利。
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型材散热器的换热计算
同样可用柱状散热片所导出的公式。
一般H>>δ，因此周长U可近似表示为：
U 2( H ) 2H
垂直于热流的截面积：
A H
热源功耗不同时的结温值 热源功耗（W） 1.7（未加散热器） 3.25（型材SRX－YDE） 7.91（型材SRX－YDE） 热源结温（℃） 51.0 66.59 109.55
对于器件功耗为1.7W，未加散热器时，热源结温Tj<Tjm（允许结温）, 即不用散热器器件也能正常工作；当器件功耗为7.91 W，安装同样的散热 器时，热源结温Tj> Tjm（允许结温），则选用的型材散热器不适合，需要 重新选择合适的散热器。
肋片厚 肋片间隙 中间两肋片间距
影响散热器性能的几何参数
热源与散热器表面为金属与金属的干接触，无绝缘片也未 涂硅脂或导热胶，未改变散热器任何参数时得到的有关热参数 如表所示。
初始相关热参数 散热器热阻 （℃/W） 7.03 散热器最高温度 （℃） 52.7 热源结温 （℃） 68.37
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散热器肋片长度的影响
肋片起增强散热的作用。
当
Bi
—


h
—
—
对流换热系数 肋片厚度 导热系数
可见，Bi数反映了肋片内部导热热阻[δ/(2k)]与外表面对流热阻（1/h） 的比值。
17
Biot 毕渥数法则
经验证实：
对于等截面矩形肋和三角形肋，肋片起增强换热的条件为： Bi<=0.25 导热系数大，肋片厚度薄，则 判据 对流换热系数小，则 Bi 数小
改变散热器材料时分析结果
散热器材料 散热器热阻（℃/W） 热源结温（℃）
铝（煮黑氧化处理）
普通铝（未处理） 普通铜（未处理） 铜（煮黑氧化处理）
7.03
8.45 8.34 6.97
68.37
72.91 72.47 68.1
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肋片表面形状的影响
增加肋片的表面复杂度，对 散热效果的改善非常有限。
27
Bi 小
Bi
h k

2 1
（肋片通常布置在换热系数较小的一侧，如空气）。
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肋片换热量与肋片高度的关系
3 L m
0 1 2 3 19
肋片换热量与肋片高度的关系
传热量与肋高的最佳关系
3 L m
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影响散热器性能的几何参数
肋 片 高 基座厚 上表面
以典型散热器为例分析散热器各几何参数对散 热器性能的影响。
一般随着肋片数目的增多器件结温会有所降低，但是超过某一数值后随 着肋片的增多器件结温没有明显变化，而散热器重量明显增加。同时肋片数 目增加有时还要考虑器件安装的问题，有的器件安装在散热器两肋片之间， 如果肋片数太多，器件不易安装在散热器上。因而不能盲目增加肋片的数目。
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散热器材料的影响
散热器以对流和辐射形式散热。一般散热器的材料不同会 引起散热器导热系数变化。
影响散热器散热性能的其它因素分析

界面热阻的影响
接触热阻： 在接触面涂覆硅脂可使接触热阻降低（20~50）%。 绝缘衬垫热阻：
Rkc

K S
Rkc ：绝缘衬垫热阻（℃/W）； S：有效接触面积（cm2）；：绝缘片
厚度（mm）；K：绝缘片的热导率。
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影响散热器散热性能的其它因素分析

功耗的影响
（1）计算系统允许最大热阻RT
RT =
T jm T a Pc
＝22.8（℃/W）
50
散热器的选择应用示例
（2）计算功率器件与散热器的接触热阻RTc
根据产品手册提供器件技术数据可得LM317内热阻为RTj＝3℃/W，实 际测得器件金属端温度为Tc＝57.2℃，散热器的最高温度为Tf＝55.9℃。
梯形肋、三角形肋、 流线型肋的比较
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梯形肋、三角形肋、 流线型肋的比较

梯形肋结构简单，易于制造，但重量大。
三角形肋体积和矩形肋相似，换热量相当，重量减轻 30%左右；
按制造工艺
5
散热器图例
6
散热器图例
7
肋壁传热
总换热量：
散热器的热阻：
1 1 1 k h1 k h2 ( A2 / A1 )
有肋面面积与无肋面面积的比值
8
肋化系数的最优化
9
最佳肋间距－肋高
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肋片式散热器传热方程
已知：柱体的基部温度为t0，周围流体的温度为tf
在x处由传导流进 在x dx处由传导 在x和x dx间由对流与 ＝ ＋ 系统的总热量 流出系统的总热量 辐射流出系统的总热量