1. 使用产品制造商提供的热阻来评估散热器的性能
散热器的热阻是在特定应用中评估散热器性能常用的方法。如式1所示,设备外壳温度Tc可由散热器热阻Rth乘以被冷却设备的耗散功率Q,再加上环境温度Tamb得到。一种典型的选择散热器的方法是先用公式1计算出所需的散热器热阻,然后选择热阻小于或等于计算值的散热器。
提供的热阻的散热器制造商通常是测量散热器广场热源,通常一个正方形热源测量25.4毫米x 25.4毫米(固定热损失)连接到散热器的底部表面的中心底座,然后通过测量温差,散热器的热阻可由式1计算。
如果用这种方法测得的热阻值来选择散热片,往往会出现所选的散热片不满足散热要求的情况,因为散热片的热阻不是恒定的。同一散热器的热阻会随着热源相对于散热器基面的大小而变化。如果您使用的热源明显小于制造商在测试实际散热器时使用的热源,则热阻值可能远高于制造商的测试值。这是由于热扩散阻力,因为热量从热源区域流向散热器的顶部表面。相对于散热器的衬底面积,热源面积越小,散热器的热扩散阻力越大,散热器的总热阻越大。在强制对流冷却的情况下,对流扩散阻力对散热器的影响显著。
图2给出了强制对流冷却下热源大小与散热器热阻的关系。散热器尺寸如图1所示。散热器的长度为76.2 mm,热源的长度和宽度相同,由Ls决定。流量为5 CFM,热源散热为59 W,环境温度为30℃。
散热器制造商提供的散热器的热阻值一般为76.2 mm长度的散热器。重要的是要注意的是,热阻的散热器不线性增加长度(即深度的散热器),当散热器的外形是相同的。随着长度的增加,扩散阻力随着热源面积与散热器底部面积的比值的减小而增大。从这部分表面积的增加所获得的传热被扩散阻力的增加所抵消。此外,随着散热片长度的增加,散热片在对流过程中的换热效率也会降低。
2. 仅根据表面面积选择散热器
在确定散热器所需的表面积时,单位面积的散热值通常在许多文章中给出。这可能会导致许多人认为,简单地增加散热器的表面积就会改善散热器的性能,但事实并非如此。散热器的性能不仅取决于表面面积,还取决于散热器的所有相关尺寸,其中关键的是散热片之间的间距。鳍之间的间距的速度有很大的影响散热鳍片的表面,这通常被称为传热系数h。面积和散热率h确定散热器表面温度Ts。
当翅片间距在某一点减小时,换热恶化,这主要是由于热边界层厚度的增加。热边界层通常被描述为靠近散热器翅片表面的区域,那里的空气温度高于环境温度。当空气进入翅片之间的空间并沿着翅片长度增长时,热边界层是薄的。翅片间隔越近,热边界层与相邻翅片合并的速度就越快。这就产生了一个温度较高的空气区域,从而降低了从散热器表面到散热片之间空气的传热速率。为了获得的散热片温度和被冷却的源的温度,散热片的间距和散热片的表面积之间达到平衡。
热边界层的厚度也与换热速率成正比,短的散热器比相同翅片间距和表面积的其他散热器有更好的散热效果。
为了演示翅片间距的重要性,让我们比较散热器热阻的变化与散热器上翅片数量的变化,如图1所示。散热器底座垂直放置,采用自然对流散热,忽略辐射换热。热源长、宽均为25.4mm,散热20W。图4为自然对流条件下翅片间距对散热器性能的影响。应该注意的是,当散热器鳍片的数量是8和面积是0.045平方米,散热器的热阻是低的,而当散热器鳍片的数量是15和面积是0.084平方米,散热器的热阻是低的。阻力较高。
3.使用风扇流量来估计散热器的性能
冷却风扇制造商经常在列出风扇性能时说明风扇流量,这很容易误导那些不熟悉风扇的人。
风机流量与通过风机的压降成反比。当通过风机的压降为零时,流速大,这只发生在风机前后没有障碍物,允许空气自由进出风机的情况下。一旦在风机前面放置障碍物,如散热器等,就会有一些正压降通过风机,对进风的障碍物越大,压降就越大。图5为电子冷却过程中风扇的PQ压力流线图。通过风扇的压降越大,风扇提供的流量就越低。
散热器散热片的密度越大,对空气流动的阻力越大,导致通过风扇的压降更高,风扇提供的气流更低。风机压力流量曲线与散热器压力流量曲线的交点为风机工作点,如图5所示。为了在一定风量下有散热,须选择合理的风机和散热器的大小,不能用风机的流量来评价散热性能。