散热器分类、散热器选择、散热器计算方法

散热器技术参数
(2008-6-5 15:03:24 阅读V 64次)
在使用功率器件时最重要的是如何使其产生的热量有效地散发出去，以获得高可靠性。

散热的最一般方法是把器件安装在散热器上，散热板将热量辐射到周围的空气中去，以及通过自然对流来散发热量。

一般地说，从散热器到周围的空气的热流量(P)可由下例表示。

P=hA η△T式中
h为散热器总的传热导率（W/cm2℃），A为散热器的表面积（cm2），η为散热器效率，△T为散热器的最高温度与环境温度之差（℃）。

上式中h是由辐射及对流来决定，η是由散热器的形成来决定。

总之，散热器的表面积越大，与环境温度之差越大，散热板的热量辐射越有效。

（1）辐射散热
下述近似式表示辐射散热
hr=2.3×10-11×ε（△T/2+237）3（W/cm2℃）式中ε是表面辐射率，随散热器的表面状况而变化。

表面研磨光洁的产品ε=0.05~0.1也就是说辐射率极差。

然而，散热器表面涂以涂料，经氧化可使ε=1。

（2）对流散热
功率器件安装在装置的框架上时，采用对流散热比辐射散热更有效。

在一个大气压的空气中，采用对流散热器的传导率近似地由下式表示。

hc=4.3×10-4×（△T/H）1/4（W/cm2 ℃）式中，H是散热器垂直方向长于水平方向更为有效。

（3）散热器效率η
若用薄材料制成散热器，则离热源越远，表面温度越低，散热效果也越差。

上述公式是假定温度都是均在分布的，而实际上在散热板的边缘部位表面温度越低。

这种由散热器本身温度确定的系数就是散热器效率，它表示散热板实际传递的热量与器材安装部位最高温度视为均匀分布时的热量之比。

η主要是由所用散热器的材料大小与厚度来决定的。

一般地说，热传导率高的材料如铝（2.12W/cm2 ℃）及铜（3.85W/cm2 ℃）而钢（0.46W/cm2 ℃）就相当差了。

另外，散热器的厚度以厚些为好，并以跟散热器的长度平方成比例为最佳。

根据上述各点，适用于功率器件的散热器应满足下列要求：
(Ⅰ)表面积尽可能大些
(Ⅱ)散热器表面阳极氧化，发黑处理
(Ⅲ)散热器配置应使空气易于流通，以长边取垂直方向为佳
(Ⅳ)使用热传导率良好的铝及铜作为散热器材料
(Ⅴ)散热器厚些为好，厚度与长度平方成比
散热器分类、散热器选择、散热器计算方法
关于散热器分类
为了方便用户查找选购，按照散热器的制造工艺分为型材散热器、插片散热器、组合散热器及热管散热器；其中对用量极大的型材散热器按其形状分为单肋、双肋、异型并在网页左侧列出；以便用户快速查找。

关于散热器的选择
首先确定要散热的电子元器件，明确其工作参数，工作条件，尺寸大小，安装方式，选择散热器的底板大小比元器件安装面略大一些即可，因为安装空间的限制，散热器主要依靠与空气对流来散热，超出与元器件接触面的散热器，其散热效果随与元器件距离的增加而递减。

对于单肋散热器，如果所需散热器的宽度在表中空缺，可选择两倍或三倍宽度的散热器截断即可。

关于散热器选择的计算方法
参数定义：
Rt───总内阻，℃/W；
Rtj───半导体器件内热阻，℃/W；
Rtc───半导体器件与散热器界面间的界面热阻，℃/W；
Rtf───散热器热阻，℃/W；
Tj───半导体器件结温，℃；
Tc───半导体器件壳温，℃；
Tf───散热器温度，℃；
Ta───环境温度，℃；
Pc───半导体器件使用功率，W；
ΔTfa ───散热器温升，℃；
散热计算公式：
Rtf =(Tj-Ta)／Pc - Rtj -Rtc
散热器热阻Rff 是选择散热器的主要依据。

Tj 和Rtj 是半导体器件提供的参数，Pc 是设计要求的参数，Rtc 可从热设计专业书籍中查表。

（1）计算总热阻Rt：
Rt= (Tjmax-Ta)／Pc
（2）计算散热器热阻Rtf 或温升ΔTfa：
Rtf = Rt－Rtj－Rtc
ΔTfa＝Rtf×Pc
（3）确定散热器
按照散热器的工作条件（自然冷却或强迫风冷），根据Rtf 或ΔTfa和 Pc 选择散热器，查所选散热器的散热曲线（Rtf 曲线或ΔTfa线），曲线上查出的值小于计算值时，就找到了合适的散热器。

对于型材散热器，当无法找到热阻曲线或温升曲线时，可以按以下方法确定：
按上述公式求出散热器温升ΔTfa，然后计算散热器的综合换热系数α：
α＝7.2ψ1ψ2ψ3{√√ [(Tf-Ta)／20]}
式中：ψ1───描写散热器L/b对α的影响，（L为散热器的长度，b为两肋片的间距）；ψ2───描写散热器h/b对α的影响，（h为散热器肋片的高度）；
ψ3───描写散热器宽度尺寸W增加时对α的影响；
√√ [(Tf-Ta)／20]───描写散热器表面最高温度对周围环境的温升对α的影响；
以上参数可以查表得到。

计算两肋片间的表面所散的功率q0
q0 =α×ΔTfa×（2h+b）×L
根据单面带肋或双面带肋散热器的肋片数n,计算散热功率Pc′
单面肋片：Pc′＝nq0
双面肋片：Pc′＝2nq0
若Pc′＞Pc 时则能满足要求。

风冷散热器选择的传热学基础
1．散热器材料的选择
材料（研究铜和铝）的选择主要是导热和散热，导热公式如下：
Q=A•λ•△t /δ
Q—热量
A—导热面积
λ—导热系数
△t—温度差
δ—导热厚度
加快导热途径主要是改变λ，△t，δ三个值：
①加大λ导热系数，表现为选择导热系数大的材料
②加大散热器底座CPU接触面和散热器鳍片温差（实际上应该是尽量降低鳍片温度，选择强劲风扇）
③降低导热厚度，表现为散热器底座厚度不应该太厚
常见材料导热系数（W/m*K）
银 429
纯铜 401
金 317
纯铝 237
铁 80
铅 34.8
1070铝合金 226
1050铝合金 209
6063铝合金 201
散热从热容方面考虑
纯铜比热容：385J/kg*K 密度：8.9g/cm3
纯铝比热容：903 J/kg*K 密度：2.7g/cm3
铜的导热系数是铝的1.69倍，虽然纯铜比热容小于纯铝比热容，但其密度大于纯铝，相同体积的纯铜所能容纳的热量大于纯铝，所以在其他条件相同的前提下，纯铜散热器理应获得比纯铝更好的散热效果。

不过铜的质地是有讲究的，很多标榜“纯铜散热器”其实并非是真正的100％的铜。

在铜的列表中，含铜量超过99％的被称为无酸素铜，下一个档次的铜为含铜量为85％以下的丹铜。

目前市场上大多数的纯铜散热器的含铜量都在介于两者之间。

而一些劣质纯铜散热器的含铜量甚至连85％都不到，虽然成本很低，但大大影响了散热性。

但用铜作为材质也有明显的缺点，成本高，加工难，散热器质量太大都阻碍了全铜散热片的应用。

红铜的硬度不如铝合金
AL6063，某些机械加工(如剖沟等)性能不如铝；铜的熔点比铝高很多，不利于挤压成形等等问题。

结论：结合铜铝特点采用纯铜底座和铝鳍片是散热器最好的选择，加工工艺影响传热效率，整体切割或挤压成型好于焊接和插片
2．散热器材料确定后的散热
这里主要研究风冷散热，风冷散热主要是强制对流换热，公式如下：
Q=F•α•△t
Q—热量
F—换热面积
α—换热系数
△t—温度差（散热器鳍片和流经散热器空气的温度差）
强制对流换热紊流情况下的换热系数为：
α=K•v0.8 / d0.2
K—空气特性系数（一定温度下为常数）
v—空气流速
d—当量直径（假设散热器是无数风道组成）
则Q=F•△t •K•v0.8 / d0.2
加强换热途径如下：
① F增大，在散热器体积不变的情况下，尽量加大散热面积，表现为在对流速不减低太多的
情况下尽量增加鳍片数量，市场表现为鳍片太少的散热器散热性不佳。

还有过大体积的散热器并不能有效提高散热，因为这种散热器边缘的△t值趋近于零
②△t加大，散热器底座的辐射型纯铜片或“塞铜”工艺或热管可加快热量由底座向鳍片的传递，增加△t值（风扇能力相同的情况下），另外，尽量加强机箱通风，降低机箱内空气温度，这相当重要
③ v加大，加快散热器内空气流速，选择强劲的散热器风扇，合理的转数，转速越高，流速越快，但转数过高，流经散热器鳍片的阻力加大太多，风速并不能增加很多，反而噪音加大。

同样改变风扇叶片角度也可提高风压，但角度太大，噪音加大。

要加快流速，应该合理设计散热器鳍片，减少散热器内风道阻力，市场表现为流线型鳍片好于直线形。

④合理降低d，当量直径减低表现为增加散热器鳍片密度（这样每一风道当量直径降低），但要注意该值过小，将大幅增加风道阻力，降低流速。

⑤好的散热器使CPU起始温度降低大家都知道，但在CPU满载时温度升高不多才是好散热器的关键所在，同样道理可以考察机箱的通风状况（CPU和显卡满载时机箱内温度升高不多）。