淺析散熱器材料對其散熱的影響

張強

（甘肅長風電子科技有限責任公司，甘肅　蘭州 730070）

淺析散熱器材料對其散熱的影響

張強

（甘肅長風電子科技有限責任公司，甘肅蘭州 730070）

首先分析了散熱片的散熱原理及影響散熱的各種因素。然后總結了不同形式的流場設計，建立了散熱片的三維實體模型。最后對比分析不同材料散熱片對其散熱效率及溫度分布的影響。結果表明，在實際工程應用中是有效的。

散熱片；吸附；熱分析

1　概述

雖然現在的散熱器在制造工藝上有了很大的改進，但電子元器件功率的不斷提升導致了更多熱量的產生。熱量能否快速有效地散發(fā)出去直接影響電子元器件的工作性能及壽命。所以，散熱器的散熱性能是決定電子元器件正常工作的關鍵因素。所以，有必要對散熱片的散熱機理及其影響因素進行深入研究，來維持散熱片的散熱性能，保證機器設備的正常運行。

2　影響散熱片散熱的因素

熱主要通過三種途徑來傳遞，它們分別是熱傳導、熱對流和熱輻射［1，2］。

1）熱傳導是指通過物體之間直接接觸，熱量從溫度高的物體傳遞到溫度低的物體。熱量的傳遞速度和能力取決于物體的導熱性能以及物體之間的溫度差。熱量是從溫度高的物體傳向溫度低的物體，溫差越大，熱量的傳遞速度越快。

2）熱對流是指熱量通過流動介質 （氣體或液體）從空間中的一處傳到另一處，即由受熱物質微粒的流動來傳播熱能的現象。影響熱對流的因素主要有：通風孔洞的面積、溫度差、通風孔洞的高度及流動介質。

3）熱輻射是一種可以在沒有任何介質的情況下，不依靠分子之間的碰撞和氣體或者液體的流動就能夠達成熱交換的傳遞方式。影響熱輻射的主要因素有：（1）熱源的材料。材料的比熱越小，向外輻射能量的速度就越快。（2）表面顏色。顏色光亮的（如白色或銀色）物體表面吸收或釋放能量的速度較慢，而深顏色（黑色）的物體表面吸收和釋放輻射能量的速度則相對較快。

散熱片主要是靠外壁將熱量傳給空氣的，空氣流速越大，散熱效率越高。它的散熱量，是和散熱器的平均溫度及室內溫度的溫差有關，溫差越大，散熱量越大。

因此，要加大散熱量，應在散熱器的外壁上想辦法，一是增加外壁的散熱面積；二是加快空氣流動速度；三是提高外表面溫度，即降低室內溫度增大溫差。四是散熱器材料的選擇。而影響散熱面積的主要是散熱片的形狀及其排布形式。

2.1散熱片的基本型式及形狀參數

散熱片可制成拋物線、三角形、梯形和矩形等型式，如圖1所示。

圖1　散熱片的基本型式

從傳熱角度考慮，最理想的散熱片形狀是拋物線型。圖1（a）示，兩根拋物線交于散熱片的頂點。根據傳熱性能分析可知，由于散熱片根部至頂端的每單位距離上，溫度差為常數。所以，在同樣材料重量的情況下，與其他型式相比，拋物線散熱片的散熱效率高，而且，冷卻空氣流動到根部的阻力也小。其次是三角形的散熱片圖（b），它同樣具有較高的散熱效率。但這兩種形式的散熱片都不實用，這是因為散熱片的形狀，不僅取決于理論上的傳熱要求，還應考慮結構和工藝。實際上，散熱片的形狀對散熱效率的影響并不大，一般不會超過8%。所以，為便于制造和保證強度等緣故，常采用梯形或矩形的散熱片型式，圖（c）和（d）。

散熱片的形狀參數，主要根據散熱要求和制造條件決定，其形狀參數如圖2所示。一般來說，為了加強散熱，必須相應的增加散熱面積和散熱片數量。所以節(jié)距δr和平均厚度δavg趨向減小。

圖2　散熱片的形狀參數

節(jié)距是影響散熱效果較大的參數，小節(jié)距可在較小的散熱面情況下增加散熱片數和散熱面積，改善散熱效果。但過分追求小節(jié)距會增加冷卻空氣的流通阻力，散熱情況反而會惡化。

2.2散熱片的材料

從散熱片的材料來分，主要分為全鋁、全銅和銅鋁結合3種［3］。鋁的散熱性好，重量輕且易加工，成本較低，因此市場上的低端散熱器多為鋁制。全銅制作的散熱器多用于超頻和高端的散熱。銅鋁結合的方法制作面向中端主流市場的散熱片，采取銅吸熱并將熱量傳遞至鋁鰭片，然后由鋁鰭片將熱量散發(fā)出去，已達到更好的效果。

2.3流場的形式及特征

散熱片的流場結構主要是為兩個目的服務的：（1）收集與其裝配在一起的電子元器件產生的熱；（2）將收集到的熱量盡可能迅速的散發(fā)出去。常見的流場形式主要有以下三種基本類型：

平行流場如圖3（a）所示，在平行圖案結構中，流體（熱量）均勻地分布于每一個直溝道。平行圖案的一個顯著優(yōu)點是各部分的溫度分布均勻。但可能出現的問題是：由于灰塵和絮狀物聚集在某個通道，熱流會繞道前行，導致熱量分布不均勻，局部的熱量無法散發(fā)出去，這就可能使電子元器件局部受熱而無法正常工作。

蛇形流場如圖3（b）所示，圖形只存在一個流動路徑，需要額外的功（風扇提供）來推動。因此在平行于散熱片底板和鰭片交線的方向，流體（熱量）是被推著離開通道。熱量的排出能力比較好。但是，一旦通道的某處被堵，將引起流體在整個通道都不能順利流動，會使散熱面積大幅度減少，進而引發(fā)故障。同時，如果通道過長、轉彎過多，蛇形設計會導致很大的壓降。

叉指形流場如圖3（c）所示，其特點是流道不連續(xù)的，流道是死端的。流體被強制對流于散熱片及周圍空氣之間。同時，一旦散熱片間某處被堵，這將會阻礙下流的散熱，會使熱量局部聚集無法散發(fā)出去，可能使散熱器及電子元器件出現故障，甚至損壞元器件［4］。本文是以最簡單的流場結構——平行流場進行設計并分析。

圖3　不同形式的流場幾何圖形

3　CPU散熱器建模及其熱分析

3.1不同材料模型上的溫度分布分析

CPU散熱片是電腦CPU散熱片的組成部分之一，一般由鋁合金制成。為達到良好的散熱效果，散熱片一般都是盡量增加散熱面積，多采用許多鰭片并排的結構。

為了便于模擬分析，在上述的建模過程中還創(chuàng)建了散熱鰭片比較少的模型。其幾何參數如下：底板及側鰭片的尺寸不變；第一組鰭片厚為1，間隙為2，高為28；第二組鰭片厚為1，間隙為2，高為26；第三組鰭片厚為1，間隙為1.6，高為22；各組鰭片間的間隙均為2。其三視圖及軸測圖如圖4所示。

在這部分內容中，散熱器底板放在均勻加熱的金屬板上，其表面溫度T=60℃，周圍空氣溫度Tf= 23℃，散熱片與空氣的自然對流系數h=5.42W/（m2· K）［5］。

圖4　散熱片三視圖及軸測圖

不銹鋼材料、銅材料及鋁材料散熱器的熱分析方法同不銹鋼的唯一不同之處就在于材料的選擇。分析后的溫度變化如圖5所示。

圖5　不同材料散熱器的熱分析

3.2結果分析

雖然從靜態(tài)分析結果我們很難看出三種材料的散熱效果，但是從瞬態(tài)分析結果，即30s時的溫度概貌。我們可以看出，在這三種材料中銅的瞬間吸熱能力確實最快，鋁次之，不銹鋼的吸熱能力最差。另外，側鰭片頂點的溫度變化曲線顯示出，在這三種材料中，鋁的散熱最好，在大約1500s之后將達到穩(wěn)定狀態(tài)，銅的散熱效果次之，不銹鋼的最差。

4　總結

本文分析了散熱片散熱的機理，并總結了影響散熱片散熱的影響因素。在此基礎上，建立了散熱片三維模型，并模擬分析了散熱片上的穩(wěn)態(tài)溫度分布和瞬態(tài)溫度分布。設計并分析了不同材料對散熱的影響。由于所學知識有限，本文建立了簡單的散熱器三維模型并分析了其溫度分布，得出了相應的結論。

［1］ 楊世銘，陶文銓.傳熱學［M］.北京：高等教育出版，2006.

［2］ 陳占秀，孫春華，周澤平.CPU散熱器數值模擬分析及材料選擇的研究［J］.河北工業(yè)大學學報，2008，37（1）：86-89.

［3］ 付桂翠，高澤溪.影響功率器件散熱器散熱性能的幾何因素分析［J］.電子器件，2003，26（40）：355-356.

［4］ 劉衍平，高新霞.大功率散熱器內腔流場分析［J］.中國電力教育，2005：55-57.

［5］ 姚黎，孫費梅.散熱器熱設計與分析［D］.中國電子學會電子機械工程分會.2005年機械電子學學術會議.2005機械電子學學術會議論文集，2005.

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