0311 散热基础
热传递的方式
热传导、热对流和热辐射是三种常见的传热方式。
热传导
热传导是物体内部热量传递的方式,热传导的计算公式为:
其中,\(\dot{Q}\) 表示热传导速率,单位为W,\(R\) 表示热阻,单位为℃/W,\(\Delta T\) 表示温度温度差,单位为℃。
热对流
热对流是通过流体(气体或液体)的对流传热方式,热对流的计算公式为:
其中,\(\dot{Q}\) 表示热对流速率,\(h\) 表示对流传热系数,\(A\) 表示传热面积,\(\Delta T\) 表示温度差。
- 空气自然对流换热系数大致5~10 W/(m²·K)。
- 强制对流的换热系数:一般来说,在流体速度低于 2 米/秒时,强制对流的换热系数范围为 50-500 W/(m²·K)。而在高速流动情况下,也有可能达到上千甚至上万的换热系数。需要根据具体情况进行计算和分析。
热辐射
热辐射计算公式
其中,\(\dot{Q}\) 表示热辐射速率,\(\varepsilon\) 表示表面的辐射系数,\(A\) 表示表面积,\(\sigma\) 表示斯特藩-玻尔兹曼常数,它的值约为\(5.67×10^{-8}\) W/(m^2*K^4),\(T_s\)表示表面温度,\(T_\infty\) 表示环境温度。
- 自然散热需考虑,可能有20%~30%的热量通过辐射散走
- 强制风冷换热系数10^3~10^W/m^2K,可以不考虑辐射
- 空间环境,没有热对流,热辐射非常重要
仿真软件中的辐射基于以下假设
- 灰体
- 辐射系数0~1
- 辐射系数等于吸收系数
- 流体对热辐射不产生影响
Flotherm中激活辐射
- Model Setup
- Surface Setting
- Area Setting
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对象可以是 cuboids, prisms, tets, inverted tets, or Heat Sink, PCB, Enclosure, Blocks With Holes, Cylinders, and Sloping Block SmartParts
Note
collapsed 或 2D cuboids 无法考虑热辐射。
-
“Single Radiating”:为表面创建单个像素。为模型的小部件或该部件表面的低温度梯度定义“单辐射”。
-
“Subdivided radiating”:根据您的标准在表面上创建多个像素。为大表面或该零件表面温度梯度高时定义“Subdivided radiating”。
热阻
热阻定义可以表述为以下公式:
\(\Delta T\) 可以是我们关心的任意两点间的温差,单位为℃,\(P\) 为热功率,单位为W。所以热阻的单位为℃/W。
- 热阻\(R_{ja}\): 从芯片结到空气的热阻,对热设计无用。
- 热阻\(R_{ja}\): 从芯片结到PCB板的热阻,假设所有热量从PCB板散走,用于热设计和仿真。
- 热阻\(R_{jc}\): 从芯片结到顶部外壳的热阻,假设所有热量从PCB板散走,用于热设计和仿真。
- 热阻\(\Psi_{jc}\): 从芯片结到顶部外壳的热阻,多种散热途径,通常比R值小,用于热测试。
- 热阻\(\Psi_{jb}\): 从芯片结到顶部外壳的热阻,多种散热途径,通常比R值小,用于热测试。
添加一张截图
对于不同的封装,从结顶部和底部的热阻不同,热设计时尤为注意使用合适的散热面。
一维热传导
在电子行业中,通常需要将发热器件贴合到散热器上,通过散热器将热量扩散到空气中,以保持设备的正常运行温度。一维热传导经常被用来描述半导体器件和PCB等元器件之间的热能交换过程。
其中,\(k\)是材料的导热率,\(A\)是面积,\(\Delta T\) 是温差,\(L\) 是热量传递的距离。通过该公式可以计算一个长方体块两个面的温差。
同样地,可以计算这个长方体块的热阻:
界面材料TIM
由于两方面的原因:
- 填充微观间隙
- 填充装配公差
电池包,电源模块也常使用导热胶填充,灌胶。
因此有多种界面材料供选择。需要综合考虑多种因素:
- 导热率:ISO22007-2
- 硬度:ASTM D2240 不同压缩率下的应力
- 贴附特性:在高温和震动条件下保持紧密接触。
- 化学稳定性:环境中可能存在的化学品,如油、溶剂、水等,可能会影响某些界面材料的性能。
- 挤出率:ASTM D2196
- 击穿电压:ASTM D149
- 成本
- 渗油
建模的详细程度
- 块。具有材料属性和热耗的长方体。能够得到器件表面温度,评估整机散热能力。
- 双热阻模型。定义了热阻\(R_{jb}\)和热阻\(R_{jc}\),能够得到结温。
- DELPHI 模型。与双热阻模型相比,具有更多的热阻结构,通常由厂家提供,可能会比双热阻模型得到的结温更准确。
- 器件的详细模型。通过定义芯片内部不同块,热耗,材料等属性,通常由厂家提供,得到更精确的结果。适用于热密度很高的芯片。
自然散热
流体运动是由自然因素浮力(buoyancy)来驱动的。翅片周围的空气被加热,导致密度降低,由于密度差,产生了浮力,引起空气运动。
最廉价可靠的散热方式,但有时候不十分有效。
热对流的计算公式为:
自然对流的换热系数\(h\)大概为5~10,这个我们无法改变。所以要降低温度,只有两种办法:
- 降低热耗\(\dot{Q}\)
- 增加散热面积\(A\)
所以要使用散热器增加散热面积,但是增加一倍高度,并不意味这降低一半的温差。
散热器计算公式
Bar-Cohen and Rohsenow (1984)
换热系数\(h\) 通过下式求解:
其中\(\mathrm{Ra}_S\)为
最优齿间距:
计算实例
问题描述 在30°C空气中放置120mm宽、180mm高的垂直热表面 具有等间距矩形翅片的散热器(图 9–20)。鳍 垂直方向厚1mm,长180mm,高度 距底座24mm。确定最佳翅片间距和热速 如果基本温度为 80°C,则通过散热器的自然对流传输。
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结果 ![[figure.svg]]
仿真精度
- +/-5°C 已经是仿真比较好的精度了,保留足够的余量。
- 只提供一份统一的结果。
- 即使是测试结果也有误差的,功率,热电偶系统的误差+/-2°C
热管
热管,VC是2相均热设备
应用场景: - 热源到冷凝端的距离比较远。 >50mm - 局部可使用的翅片面积是热源面积的10倍,使用热管可以将热量带到其他区域的翅片。这样可以通过增加水平方向的散热齿,降低散热齿的高度,适用于高度受限的产品。 - 与铜块相比可以降低产品重量。
热测试
仿真与测试 - 仿真模型的校准与迭代
测温设备 - 热电偶,T型或K型 - 红外仪,注意表面对测量结果的干扰
测试计划 - 关键器件 - 传感器读数 - 热电偶测温点
测试报告 - 工况 - 功耗 - 测量温度 - 测量温度推算结温 - 器件允许的最大值和余量