散熱器翼片中空氣流動(dòng)的形式

散熱器翼片中空氣流動(dòng)的形式

由于工作條件的限制，現(xiàn)代車載電子設(shè)備（簡稱設(shè)備）通常體積小，但設(shè)備功率大，設(shè)備發(fā)熱量大。電子設(shè)備的正常溫度超過100，設(shè)備效率增加。據(jù)美軍方統(tǒng)計(jì)機(jī)載電子設(shè)備的失效原因中超過50%是因溫度引起的,因此電子設(shè)備的熱設(shè)計(jì)是機(jī)載設(shè)備可靠性設(shè)計(jì)中的重要內(nèi)容。機(jī)載設(shè)備散熱器的冷卻效率主要取決于散熱器的對(duì)流換熱系數(shù),而影響對(duì)流換熱系數(shù)的主要因素是通過散熱器的空氣流溫度和速度。散熱器與空氣流的溫差越大,換熱效率越高。通過散熱器的空氣流速越大,熱量散發(fā)越快。另一個(gè)影響對(duì)流換熱系數(shù)的重要因素是通過散熱器的空氣流動(dòng)形式,即層流流動(dòng)或湍流流動(dòng)。層流流動(dòng)時(shí),空氣沿平行于流道軸心線的流線流動(dòng),沒有跨越流線的分速度,沿流道壁面法線方向的熱量傳遞只能依靠流體分子的遷移運(yùn)動(dòng)即熱傳導(dǎo)。而湍流流動(dòng)時(shí),流體質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)的流線雜亂無章,不僅在平行于流道壁面方向(軸向)有對(duì)流,且相鄰流層間的不斷擾動(dòng)混合,形成渦漩流動(dòng),以致在壁面法線方向(橫向)也有對(duì)流。因此湍流時(shí)的熱量傳遞,除依靠導(dǎo)熱方式外,主要依靠渦漩流動(dòng)從一個(gè)流層到另一個(gè)流層的隨機(jī)運(yùn)動(dòng)過程傳遞熱量,使換熱增強(qiáng)。所以湍流換熱比層流換熱強(qiáng),對(duì)流換熱系數(shù)更大。為求得較大的對(duì)流換熱系數(shù),需對(duì)散熱器的翼片形狀進(jìn)行優(yōu)化,盡可能使散熱器中的空氣流動(dòng)呈湍流形式,才能提高散熱器的冷卻效率。機(jī)載電子設(shè)備的散熱冷卻主要分自然冷卻和強(qiáng)制風(fēng)冷卻。自然冷卻的效率取決于散熱器換熱系數(shù),這與散熱器的形狀、材料和環(huán)境溫度有關(guān)。強(qiáng)制風(fēng)冷卻的效率除與散熱器的形狀和材料有關(guān)外,還取決于空氣流與散熱器間的對(duì)流換熱系數(shù)。按自然冷卻設(shè)計(jì)的設(shè)備散熱器,工作時(shí)需要較大的散熱面,才能把熱散出來。由于機(jī)上一般沒有多余的空間,只能讓設(shè)備在高溫(接近100℃)環(huán)境下工作。按強(qiáng)制風(fēng)冷卻方案設(shè)計(jì)的散熱器,在中、低空時(shí)因?yàn)榭諝饷芏却?冷風(fēng)流速高空氣流在散熱器中是湍流流動(dòng)形式,可使設(shè)備快速降溫,但到高空時(shí)由于空氣稀薄強(qiáng)制風(fēng)冷卻效率降低,設(shè)備也工作在高溫區(qū)。機(jī)載電子設(shè)備的熱設(shè)計(jì)一般是在自然冷卻的基礎(chǔ)上加強(qiáng)制風(fēng)冷卻措施。1自然冷卻的設(shè)計(jì)方法1.1根據(jù)相關(guān)法規(guī)的要求，設(shè)計(jì)外框架的圖紙主要從便于制造和安裝、測試方面進(jìn)行考慮,盡可能按最大外輪廓設(shè)計(jì),使設(shè)備具有更大的熱容量。1.2般系統(tǒng)熱阻qa散熱器具有熱阻性,當(dāng)散熱器的溫度上升時(shí),它會(huì)把熱量從自身散發(fā)到周圍空氣中。散熱器對(duì)周圍環(huán)境的熱阻QSA是對(duì)從散熱器到周圍環(huán)境空氣散熱能力的一個(gè)度量。熱阻依賴于散熱器材料的熱傳導(dǎo)性、散熱器的幾何形狀及通過散熱器翼片的空氣流速。(1)由熱傳導(dǎo)的材料銅散熱器的熱阻比鋁散熱器的熱阻小,銅的熱阻系數(shù)(R)是0.2794℃·cm/W,而鋁的R是0.5842℃·cm/W。(2)空氣空氣源的特性圖1為散熱器的形狀有圓柱形及方形翼片。方形翼片散熱器的使用時(shí)間較長,但圓柱形翼片散熱器比方形翼片的散熱器工作特性好,特別是在設(shè)備空氣流動(dòng)極少,甚至不流動(dòng)的環(huán)境條件下,其優(yōu)點(diǎn)更為顯著。這是因?yàn)閳A柱形翼片散熱器的全向結(jié)構(gòu),使空氣可從每一個(gè)角度進(jìn)入,使其散熱效率更高。圓柱形翼片使散熱器翼片間易產(chǎn)生湍流,這種湍流圍繞圓柱突破了停止的空氣分界層,從而提高了散熱器的散熱性,而且這種圓柱形結(jié)構(gòu)在不提高風(fēng)阻時(shí),可提高與空氣接觸的表面積比,有利于散熱。(3)通過檢測器翼的空氣流速度在高空時(shí)機(jī)載電子設(shè)備中空氣密度低,空氣流速一般較小。1.3系統(tǒng)的熱特性計(jì)算為了校核設(shè)備的熱特性,一般選設(shè)備中最大功率元件的結(jié)溫(T結(jié)溫)來計(jì)算,因?yàn)樗谠O(shè)備中溫度一般是最大的,所以用其結(jié)溫作設(shè)備溫度的上限。在進(jìn)行熱計(jì)算時(shí),重要參數(shù)為設(shè)備周圍環(huán)境空氣的最高溫度T環(huán)MAX、設(shè)備的熱功耗值P熱耗及與周圍環(huán)境相連接的有效熱阻Q熱阻,即T結(jié)溫=(P熱耗×Q熱阻)+T環(huán)MAX(1)TCASQ=T結(jié)溫-(P熱耗×QJC)(2)式中TCASQ為電子元器件的殼溫;QJC為功率器件和外殼間熱阻。式(2)的結(jié)果決定了在規(guī)定條件下工作時(shí)是否需要額外的散熱面積,如果TCASQ的計(jì)算結(jié)果超過了器件允許的殼溫最大值,就需增加散熱器的散熱面積。散熱器的另兩個(gè)參數(shù)為散熱器至QSA和導(dǎo)熱劑(在大功率元件外殼和散熱器底部間)的熱阻QCS。知道了散熱器的這兩個(gè)有效熱阻參數(shù)后,則TCASQ=T環(huán)MAX+(P熱耗×QSA)+(P熱耗×QCS)(3)如果式(3)計(jì)算結(jié)果超過了最大值TCASQ,那么就要換一個(gè)有更好熱特性的散熱器。但式(3)給出的TCASQ是一個(gè)保守的估計(jì)值,這是因?yàn)樵谠O(shè)備中有其他通道耗散了熱量。如通過電路板板傳導(dǎo)到機(jī)箱熱耗低的幾個(gè)面上發(fā)散到環(huán)境中。另外為抗擊瞬時(shí)熱負(fù)荷的沖擊,散熱器的基板應(yīng)足夠厚(大于5mm)。瞬時(shí)熱負(fù)荷的沖擊會(huì)形成電子器件材料的熱膨脹,熱膨漲系數(shù)的不同,會(huì)造成表貼電容的斷裂、功率器件的熱擊穿等。且為了加強(qiáng)設(shè)備的熱輻射,散熱器表面一般采用發(fā)黑處理,以增大散熱表面的輻射系數(shù),強(qiáng)化輻射換熱。2備用用戶的設(shè)計(jì)在一些特定的情況下,要讓功率大的電子器件在規(guī)定的工作溫度范圍內(nèi)工作,可能用到的備用散熱解決方案包括散熱器加風(fēng)扇、導(dǎo)熱管、強(qiáng)迫通風(fēng)和空氣管道。2.1熱風(fēng)機(jī)熱風(fēng)熱風(fēng)比自然冷卻更好的散熱性能的簡單方法是散熱器和風(fēng)扇組合使用,這種散熱風(fēng)扇加快了散熱器表面的空氣流動(dòng),減少了散熱器的整體熱阻。其優(yōu)點(diǎn)是使用相同的散熱器時(shí),可獲得更好的散熱性能。但風(fēng)扇需要額外的設(shè)備功耗。另外不管風(fēng)扇是安裝在散熱器的頂部還是旁邊,都需要額外的設(shè)備空間。2.2作為熱傳導(dǎo)方案的解決方案當(dāng)在設(shè)備中沒有空間安裝散熱器,或由于高度限制而無法使用特定的散熱器來提供足夠散熱特性時(shí),導(dǎo)熱管就可用來作為一種散熱解決方案。在這種情況下,導(dǎo)熱管可(通過冷卻板和充滿壓縮冷卻劑的具有熱傳導(dǎo)性能的管道)把熱量從過熱部位傳遞到較遠(yuǎn)的散熱器和設(shè)備風(fēng)扇,繼而將其散發(fā)到設(shè)備外部較冷的空氣中。其優(yōu)點(diǎn)是當(dāng)散熱器體積太大而不能安裝時(shí),在設(shè)備內(nèi)安裝導(dǎo)熱管具有優(yōu)勢。但與散熱器或散熱風(fēng)扇相比,導(dǎo)熱管定制的費(fèi)用較高。2.3器件的熱設(shè)計(jì)與自然冷卻散熱設(shè)計(jì)相比,強(qiáng)迫通風(fēng)和空氣通道是另一種獲得更好冷卻性能的方法。強(qiáng)迫通風(fēng)法在安裝于狹小設(shè)備內(nèi)的大功率發(fā)熱器件的散熱設(shè)計(jì)中具有優(yōu)勢,此時(shí)由于空間太小,不足以安裝氣流特性和尺寸都合適的風(fēng)扇。而安裝在設(shè)備外部的風(fēng)扇,能通過空氣通道吸入或排出空氣,強(qiáng)迫空氣流通過散熱器。其優(yōu)點(diǎn)是風(fēng)扇經(jīng)空氣通道將