評估散熱器的性能3個常見錯誤

導讀：如果對影響散熱器性能的基本因素不理解，那么選擇的散熱器可能不足以滿足冷卻設備的散熱要求。這將導致設計和測試任務的循環迭代，最終耽誤產品的開發進程。一般在評估散熱器的性能時，有以下3個常見錯誤 。

一、用產品制造商提供的熱阻來評估散熱器性能

散熱器的熱阻是用來評估特定應用中散熱器性能的最常用方法。如公式1所示，通過將散熱片的熱阻Rth乘以被冷卻裝置的耗散功率Q，再加上環境溫度Tamb，可以確定裝置的外殼溫度Tc 。選擇散熱器的典型方法是首先使用公式1計算所需的散熱器熱阻，然后選擇熱阻小于或等于計算值的散熱器。

（1）

散熱器制造商提供的熱阻一般是通過一個方形熱源的散熱器測得的，通常是將一個具尺寸為25.4 mm x 25.4 mm的方形熱源（固定熱耗）連接到散熱器基板底面中心，然后測量溫差，通過公式1就能計算散熱器的熱阻。

如果使用該方法測量的熱阻值來選擇散熱器，經常會出現選擇的散熱器不符合散熱需求的情況，這是因為散熱器的熱阻不是一個常數。同一散熱器的熱阻將隨著熱源相對于散熱器基準面的大小而變化。

如果您使用的熱源明顯小于制造商在測試實際散熱器時使用的熱源，則熱阻值可能遠遠高于制造商的測試值。這是由于熱量從熱源區域流向散熱器頂部表面時，由熱擴散阻力導致的。

相對于散熱器的基板面積而言，熱源面積越小，散熱器的熱擴散阻力越大，散熱器的總熱阻就越大。在強制對流冷卻的情況下，對流擴散阻力對散熱器的影響最為顯著。

圖1 散熱器幾何模型示意圖

圖2為在強制對流冷卻情況下，熱源的尺寸與散熱器熱阻的關系曲線。散熱器的外形尺寸如圖1所示。散熱器的長度為76.2毫米，熱源的長度和寬度相同，并由Ls決定。流量為5 CFM，熱源散發的熱量為59 W，環境溫度為30℃。

圖2 熱源尺寸對散熱器熱阻的影響

散熱器制造商提供的散熱器的熱阻值通常是針對長度為76.2毫米的散熱器。需要注意的是，當散熱器輪廓相同時，散熱器的熱阻不隨長度（即散熱器的深度）而線性增加。隨著長度的增加，由于熱源面積與散熱器底部面積的比值減小，擴散阻力也會隨之增加。這樣部分表面積增加帶來的傳熱收益被擴散阻力的增加所抵消。此外，隨著散熱器長度的增加，對流過程中散熱器的傳熱效率也會降低。

二、僅僅根據表面積來選擇散熱器

在確定散熱器所需的表面積時，很多文章中通常會給出單位面積的散熱值。這將讓許多人以為簡單地增加散熱器的表面積就可以改善散熱器的性能，而事實并非如此。散熱器的性能不僅取決于表面積，還取決于散熱器的所有相關尺寸，其中最關鍵的是散熱翅片之間的間距。

散熱片之間的間距對散熱片表面的散熱速度有很大影響，這通常被稱為傳熱系數h。表面積A和散熱率h，決定了散熱器的表面溫度Ts，如公式2所示：

（2）

式中：Q是散熱器的總散熱量;

隨著翅片之間的間距在某一點減小，傳熱會隨之惡化，這主要是由于熱邊界層厚度的增加。熱邊界層通常被描述為：散熱器翅片表面附近的空氣溫度高于環境溫度的區域。當空氣進入翅片之間的空間并沿翅片長度方向生長時，熱邊界層最薄。翅片之間的間隔越近，熱邊界層與相鄰翅片合并的越快。這將產生了較高溫度的空氣區域，從而降低了從散熱器表面到翅片之間空氣的熱傳遞速率。為了獲得最低的散熱器溫度和被冷卻源的最低溫度，必須在散熱片的間隔和散熱器的表面積之間取得平衡。

圖3 散熱片間距和長度對散熱效率的影響

熱邊界層的厚度也與傳熱率成比例，較短的散熱器將比相同翅片間距和表面積的其他散熱器具有更好的散熱性能。

為了證明最佳翅片間距的重要性，我們來對比一下散熱器熱阻的變化與散熱片的翅片數量之間的關系，如圖1所示。散熱器的底座垂直放置，散熱器通過自然對流散熱，在此算例中忽略輻射換熱。熱源的長度和寬度均為25.4mm，熱源散發的熱量為20W。圖4顯示了在自然對流工況下，翅片間距對散熱器性能的影響。應當注意的是，當散熱器翅片個數為8個、表面積為0.045m^2時，散熱器的熱阻最低，而當散熱器翅片個數15個、表面積為0.084m^2時，散熱器的熱阻反而更高。

圖4 散熱器熱阻隨散熱器翅片數量的變化

三、使用最大風扇流量來估算散熱器性能

冷卻風扇制造商通常會在列出風扇性能時說明最大風扇流量，對于那些不熟悉風扇的人來說，這很容易產生誤導。

如圖5中所示，風扇的流速與風扇的壓降成反比。當風扇的壓降為零時，流速最大，而這僅僅是在風扇前方或后方沒有障礙物時，允許空氣自由流入和流出風扇時才會發生。一旦有障礙物放置在風扇前面，諸如散熱器等等，風扇上就會有一些正壓降，障礙物對來流空氣阻擋越大，壓降越大。圖5顯示了電子冷卻中風機的PQ壓力流量曲線圖。通過風扇的壓降越大，風扇提供的流量就越低。

圖5 風扇、散熱器P-Q曲線及風機工作點

散熱器翅片的密度越大，空氣的流動阻力就越大，從而導致風扇上的壓降更高并且風扇提供的空氣流量更低。風扇壓力流量曲線與散熱器壓力流量曲線的交點，就是風機的工作點，如圖5所示。

要使得在某一風量下具有最大的散熱量，必須選擇合理的風扇和散熱器尺寸，絕不可以使用風機的最大流量來評估散熱性能。

編輯？：黃飛