散热器如何选型？
散热器如何选型？
散热器的选型是电子设备设计中的关键环节。本文从材料选择、风洞实验到雷诺兹推理等多个维度，深入探讨了散热器性能评估的方法和技巧，为工程师和设计师提供了实用的参考指南。
在电子冷却行业中，散热器的选型是一个复杂而关键的问题。面对众多的散热器选项和应用变量，设计师需要找到最合适的选择。本文将从材料选择、实验方法和理论分析等多个维度，探讨散热器性能评估的有效方法。
材料选择
散热器材料的选择通常完全由成本决定，从而减轻了设计者进行电导率计算的压力。然而，如果在预算允许的情况下，材料的选择可能会引起争论。当与其他材料合金化时，纯材料的感知性能实际上可能会非常不同，这使它们更适合制造。
如果我们比较三种最普遍的散热器材料——铜、铝和锌——我们可以根据它们的导热系数值来按这个顺序选择它们。然而，如果人们认为这些材料的组合会产生一个性能良好的散热器，我们可以看到相当令人失望的结果，如表1 中铝青铜的电导率值所示。
表1.材料成分和导热率的比较
材料 | 导热系数 (W/mK) |
|---|---|
铜 | 401 |
铝 | 237 |
锌 | 116 |
铝青铜 | 50 |
因此，铝青铜可能永远不会被选择用于散热器，但图表确实说明了合金化对热性能的影响。一般来说，当铝与其他元素合金化时，其导热系数会下降，铜会更严重。进一步的解释可以在化学课上处理。锌可能看起来并不是一个很有前途的竞争者，但它已经赢得了在散热器方面的应用，因为它与其他材料的合金相比很好。
锌主要是一个流行的选择，因为它提供了在压铸比其他材料的好处。除了这三种材料之外，还有大量的普通的和专门的材料可供选择。当然，其他的性能，如重量、可制造性、表面涂层和成本都不能被遗忘。但是，设计师必须记住的规则是，热性能可能与关于基础材料的一般假设完全不一致。
材料的选择可能不是设计师最关心的。在典型的热沉成分中，从热源到冷却空气的路径有几个屏障有助于降低热阻。这些可能包括芯片载体、热界面材料、散热器特性和对流或辐射传热条件。在所有这些屏障中，散热器材料只占总电阻的5%左右。
大部分热阻实际上发生在翅片和空气的界面内。这对于自然对流和强制对流都是如此。
风洞实验
该方法提出了一种在特定应用中的散热器性能的排序方法。然后，根据质量、体积、重量或高度来缩放测量到的有效传热系数，提供了一种在类似于设计者的应用程序的条件下对散热器进行排序的方法。
测量是基于从时间依赖的温度曲线的平均传热系数，作为速度和时间的函数。旁路效应发生在未经导管插入时，其中，强迫对流的空气速度和摩擦力的结合迫使进入的气流逃离翅片场。由于复杂的流入条件、界面问题和扩散效应，这种效应难以建模。因此，散热器被安装在一个风洞中，并收集实际的流量和温度测量数据。
7个散热器，如图1所示，被测试，并根据其基底面积的大小分为三组。
图1. 3每组7个散热器。每一列代表1个组
用于比较试验结果的基本参数是hA，即传热系数乘以散热器的受湿面积。图2显示了三种不同速度的结果hA值。注意，在零速度时，风洞风扇被关闭，但由于自然对流，仍然有速度。
图2.三个不同速度下的参数Ha（W/K）
图3比较了不同散热器的s hA、hA/m、hA/V和hA/H值。m是质量，V是体积，H是散热器的高度。设计人员可以在满足特定的设计限制的同时，选择性能最佳的散热器。
图3.V=2.2m/s下的散热器对比
雷诺兹推理
雷诺兹类比表明摩擦和对流之间存在相关性。它是基于边界层理论推导出的。计算公式如下：
其中，
Nu=雷诺数
Pr =普朗特数
Tx=剪切应力
W=自由气流速度
ρ=密度
结合上述两个方程，我们得到如下结果：
其中，
ex=机械功率
qx=热流量
δT=温度差
上一页的方程是关于功率与传热有关的雷诺兹类比。这个方程的问题是，在更一般的情况下，温差或速度是不均匀的，并不是所有的机械功率损失都是由摩擦引起的，而没有导致对流传热。一个类比数的定义如下：
这是雷诺兹类比的一个全局定义。对于一般情况，必须定义速度和温度差异，并将其索引为参考文献。对于一个平板，类比数是1.27。这个数字可以作为比较散热器的一个有用的指标。它可以很容易地表明，一个散热器的类比数可以用下面的公式来表示。
参考速度，即接近速度，可以从
其中，
V=容积流率
Af=散热器的正面横截面
δP=压降
δTm=平均对数温差
图4为3个尺寸相同的散热器之间的类比数的比较。散热器C是标准的挤压；散热器B是散热器C的横切版本；散热器A与散热器B总体积相同。
图中显示，散热器A有更大的类比数，因此在所有速度下都有更好的性能。通过观察类比数方程，较大的类比数意味着在较低的压降下有较高的传热量，这是一个高性能散热器的目标。另一个具有更多鳍片的散热器可能有更好的性能，但以牺牲更多的压降为代价，这在实际应用中可能是不可行的。
图4.基于模拟的不同散热器的比较
类比其他方法更复杂，并不是比较散热器的常用工具。其他比较方法有计算流体计算和分析技术。CFD分析比分析技术更耗时，并且要求人员熟练地运行代码。如果建模正确，分析技术很简单，并且可以在不同的场景下给出快速的结果，所以设计者可以在散热器中选择最适合他的应用程序的散热器。
结论
热工工程师在设计或选择散热器时，必须考虑所有的变量，如压降、重量、几何约束和成本。通过综合运用材料选择、风洞实验和理论分析等方法，可以更准确地评估散热器的性能，从而做出最佳的选择。