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铝型材散热器:你知道散热设计有多重要吗

作者:jso0FLWEallfit发布时间:2019-10-05 14:06

零重力实验舱内部结构
    散热方式的选择由铝型材散热器面的热流密度而定,当散热面热流密度超过0.08W/cm2时,就必须采用强迫对流的方式散热,要了解强迫对流换热,就不得不提风机,风机凭借自身叶片旋转产生导流作用,迫使空气以较快的速度通过发热区域的散热面,强迫风冷的对流换热系数是自然对流换热系数的几到几十倍。
    为了更加有效的进行强迫对流散热,常常将功率器件安装在合适的散热器上,运用风扇对散热器进行强迫对流散热,可以更好地保证热量快速扩散。下面就为您揭开风机和散热器的秘密。
    冷却方式的选择
    一、风机选型及风道设计
    实现强迫对流散热离不开风机,在设计中要如何选用合适的风机?下面为您简单整理了选用风机的方法。
    1.风机类型
    (a)轴流风机;
    (b)离心风机;
    常见的风机分为轴流(Axial)、离心(Radial)两种风机类型:
    轴流风机:风机的进风口与出风口平行;其特点为风量大、风压低、噪音小、种类繁多、价格便宜,使用较为常见;
    离心风机:风机的进风口与出风口方向垂直;其特点为风压大、风量低、噪音大、价格高、供应商少,一般用于阻力较大的发热元器件或机柜的冷却;
    风机P-Q特性曲线示意
    评价风机性能的最重要指标之一为P-Q曲线,即风压-风量曲线(见上图),对于轴流风机系统阻抗与P-Q的交汇工作点应位于高流量低风压区较为理想,即交点位于曲线的后1/3位置处(C点以后的位置);对于离心风机系统阻抗与P-Q的交汇工作点应位于高风压低流量区较为理想,即交点为位于曲线的前1/3位置处(A点以前的位置);值得注意的是特性曲线较平缓区(B点位置)为不稳定区,选用风机时应尽量避开此区域。
    2.风机参数
    风机类型的选择只完成了第一步,接下来要根据风量、风压、尺寸、噪音等需求,完成风机的最终定型。
    ?实际冷却风量的计算方法:
    q`=Q/(0.335△T)
    q`―实际所需的风量,m3/h;
    Q―散热量,W;
    △T―空气的温升,℃,一般为10-15℃。
    ?确定风扇的型号经验公式:
    按照1.5―2倍的裕量选择风扇的最大风量:即q=(1.5-2)q`
    按以上计算的最大风量选择风扇型号即可。当然在很多情况下风机选择受尺寸、功率、噪音的约束,下面为大家介绍有关风扇的各种定律和公式。
    FanLaw1风量与转速,直径的关系
    即同一个风机,风量与转速成比例变化。
    FanLaw2风压与转速,直径的关系
    即同一个风机,风压与转速的平方成比例关系。
    FanLaw3功率与转速,直径的关系
    即同一个风机,功率与转速的立方成比例关系。
    FanLaw4声功率与转速,直径的关系
    常见轴流扇的风扇转速变化与声压差值的关系:
    根据以上公式,就可以轻松做出取舍,选择一款满足需求而且性价比高的风机了。
    3.风道设计及通风面积
    强迫风冷系统风道实际很关键,风道一般分为送风和抽风两种方式,这两种方式优缺点分别是:
    送风方式:
    A、风扇出口附近气流主要为紊流流动,局部换热强烈,宜用于发热器件比较集中情况,此时必须将风扇主要出风口对准集中发热元件
    B、吹风时将设备内形成正压,可阻止缝隙中灰尘进入设备
    C、风扇将不会受到系统散热量影响,工作较低空气温度下,风扇寿命较长
    抽风方式:
    A、送风均匀,适用于发热器件分布比较均匀,风道比较复杂情况
    B、进入风扇流动主要为层流状态
    C、风扇将出风口高温气流下工作,寿命会受影响
    D、系统内形成负压,缝隙中灰尘将进入机柜/箱
    抽风风道
    强迫风冷出风口面积的计算:
    ?对于模块
    有风扇端的通风面积:
    Sfan=0.785(φin2-φhub2)
    无风扇端的通风面积:
    S=(1.1-1.5)Sfan
    ?对于系统
    在后面板(后门)上与模块层对应的位置开通风口,通风口的面积大小应为:
    S=(1.5-2.0)(N×S模块)
    N―每层模块的总数;
    S模块―每一个模块的进风面积;
    二、散热器的设计
    为增强换热效果,需要在大功率器件上增加散热器。在什么时候需要散热器与风扇配合使用,也是由热流密度界定:
    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于0.024W/cm2而小于0.078W/cm2,必须采用强迫风冷。
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    通常散热器的设计分为三步:
    1.根据相关约束条件设计处轮廓图;
    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。
    散热器种类
    (a)平板散热器
    (b)型材散热器
    (c)叉指散热器
    按以上步骤,给出设计散热器的方法:
    1.首先确定要散热的器件,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。
    2.下面给出初选散热器的参考:
    ?在一定冷却条件下,所需散热器的体积热阻大小的选取方法:
    冷却条件
    散热器体积热阻(℃/cm3W)
    自然冷却
    500―800
    1.0m/s(200CFM)
    150―250
    2.5m/s(500CFM)
    80―150
    5.0m/s(1000CFM)
    50―80
    ?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:
    冷却条件
    流向长度(mm)
    ?不同形状、不同的成型方法的散热器的传热效率比较
    散热器成型方法
    传热效率%
    成本参考
    冲压件/光表面散热器
    10―18
    低
    带翅片的压铸散热器/常规铝型材
    15―22
    较低
    铲齿散热器
    25―32
    较高
    小齿间距铝型材
    45―48
    高
    针状散热器/钎焊/插片成型散热器(冷板散热器)
    78―90
    很高
    3.根据散热方式及散热量确定最终选型
    (a)器件散热示意图
    (b)散热等效电路图
    如上图为散热器为元器件散热的导热路径分析,由此设定由器件管芯到底部的热阻为RJC,器件底部与散热器接触的热阻为RCS,散热器散热的热阻为RSA,器件的最大功率损耗为PD,并已知器件允许的结温为TJ、环境温度为TA,忽略其他热阻,则总热阻为:
    RJA=RJC+RCS+RSA≤(TJ-TA)/PD
    则允许最大散热器散热的热阻RSA为:
    RSA≤(TJ-TA)/PD-(RJC+RCS)
    计算要以最大余量来考虑,所以设TJ=125℃,环境温度TA=40~60℃,RJC的大小和管芯的尺寸封装结构有关,这一点很多厂家说明中都有提到,还可以通过厂家提供的器件样本数据中查到。其中RCS的大小常常和安装技术以及大功率器件的封装方式有关,器件与散热器间涂了导热油脂的RCS典型值0.1~0.2℃/W。PD可根据不同器件的工作条件计算而得。如此将RSA最大值计算出来,再通过查散热器的产品手册,即可找出合适的散热器。
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