铝型材散热器：你知道散热设计有多重要吗？

电子电气类产品集成度不断地提高，产品的功能结构设计的也越来越紧凑，但是任何的器件在工作时都存在一定的损耗，而且其中大部分的损耗变成热量消耗掉，这部分热量为设备的使用寿命埋下隐患。因此强迫对流散热已经成为散热方式的主力军，强迫对流散热不仅在地面上广泛应用，甚至国际在空间站中也为大功率器件的散热保驾护航。

（一）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。

（二）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：

①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；

②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；

③风机P-Q特性曲线示意：

评价风机性能的重要指标之一为P-Q曲线，即风压-风量曲线，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一步，接下来要根据风量、风压、尺寸、噪音等需求，完成风机的定型。

①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℃。

②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至大风量：即q=(1.5-2)q`

按以上计算的至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。

③FanLaw1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。

④FanLaw2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。

⑤FanLaw3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。

⑥FanLaw4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：

①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

②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

③抽风风道

强迫风冷出风口面积的计算：

A、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

B、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

1、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：

（1）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。

（2）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。

2、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。

3、散热器种类

（1）平板散热器

（2）型材散热器

（3）叉指散热器

4、按以上步骤，给出设计散热器的方法：

（1）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：

①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：

A、冷却条件:自然冷却，散热器体积热阻500―800（℃/cm3W）

B、冷却条件:1.0m/s（200CFM），散热器体积热阻150―250（℃/cm3W）

C、冷却条件:2.5m/s（500CFM），散热器体积热阻80―150（℃/cm3W）

D、冷却条件:5.0m/s（1000CFM），散热器体积热阻50―80（℃/cm3W）

②在一定的冷却体积及流向长度下，确定散热器齿片合适间距的大小的方法：

A、冷却条件；

B、流向长度（mm）

③不同形状、不同的成型方法的散热器的传热效率比较

A、冲压件/光表面散热器：传热效率是10―18%，成本参考低；

B、带翅片的压铸散热器/常规铝型材：传热效率是15―22%，成本参考较低；

C、铲齿散热器：传热效率是25―32%，成本参考较高；

D、小齿间距铝型材：传热效率是5―48%，成本参考高；

E、针状散热器/钎焊/插片成型散热器（冷板散热器）：传热效率是8―90%，成本参考很高；

（3）根据散热方式及散热量确定选型

A、器件散热示意

B、散热等效电路

    如上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，器件的至大功率损耗为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

则允许至大散热器散热的热阻RSA为：RSA≤(TJ-TA)/PD-(RJC+RCS)

计算要以至大余量来考虑，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至大值计算出来，再通过查散热器的产品手册，即可找出合适的散热器。