電子散熱設(shè)計(jì)的原理解析

　　傳熱現(xiàn)象在自然界普遍存在，有溫差的地方就會(huì)有熱量傳遞發(fā)生。具體到在工程技術(shù)領(lǐng)域中，掌握傳熱體系內(nèi)的傳熱量和溫度分布最具有實(shí)際意義。一般來(lái)說(shuō)，對(duì)于無(wú)內(nèi)熱源的穩(wěn)定傳熱過(guò)程，傳熱量(Q或q)和傳熱溫差⊿t的關(guān)系可表示為下列一般形式：

　　Q=qF=⊿t/ R W

　　或 q=Q/F=⊿t/r W/m2

　　式中Q亦稱(chēng)熱流量。q亦稱(chēng)熱流率或熱流密度，⊿t[℃]亦稱(chēng)傳熱推動(dòng)力，F(xiàn)[m2]為傳熱面積，R[℃/W]為熱阻，r =RF[m2. ℃/W]稱(chēng)單位面積熱阻.

　　傳熱的基本方式有傳導(dǎo)、輻射和對(duì)流三種，但實(shí)際換熱過(guò)程往往是以一種形式為主的復(fù)合換熱方式。

　　熱 傳 導(dǎo)

　　同一物體內(nèi)部或互相接觸的物體之間，當(dāng)溫度 不同但沒(méi)有相對(duì)的宏觀(guān)位移時(shí)的傳熱方式叫熱傳導(dǎo) 或?qū)?。微觀(guān)來(lái)看，氣體導(dǎo)熱基于分子或原子的彼 此碰撞;液體和非導(dǎo)電固體導(dǎo)熱的機(jī)理是分子或原 子振動(dòng)產(chǎn)生的彈性波作用;而金屬導(dǎo)熱則主要靠自 由電子的擴(kuò)散傳播能量。

　　熱 輻 射

　　物體通過(guò)電磁波傳播能量的過(guò)程叫輻射，熱輻射則專(zhuān)指波長(zhǎng)為0.1~100μm的熱射線(xiàn)在空間傳播能量的現(xiàn)象。任何物體均能不斷地向外界發(fā)射輻射能同時(shí)也接受來(lái)自周?chē)矬w的輻射能。物體把熱能以電磁波形式發(fā)射出去,接受這種電磁波的物體又將其轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮?，兩物體間的輻射換熱為相互輻射熱量的差額。熱輻射不需要媒介質(zhì)并伴隨著能量形式的轉(zhuǎn)化是輻射換熱的特點(diǎn)。輻射能可以在真空中、少數(shù)透明固體和氣體中傳播，在大多數(shù)固、液體中無(wú)法傳播，而在其表面被吸收或反射;熱射線(xiàn)通過(guò)含有多原子 氣體的氣層時(shí)，可在透過(guò)氣層厚 度時(shí)被逐步吸收。

　　利用熱輻射最典型的例子莫過(guò)于微波爐的發(fā)熱原理。我們現(xiàn)在的散熱器，其實(shí)都有熱輻射發(fā)生。散熱器在吸收了熱量后，都會(huì)自動(dòng)的往周?chē)諝庵休椛錈幔绻麤](méi)有對(duì)流空氣的熱交換，這種輻射現(xiàn)象比較緩慢。

　　熱 對(duì) 流

　　由于流體各部分宏觀(guān)位移引起的熱量轉(zhuǎn)移現(xiàn)象稱(chēng)為熱對(duì)流。 流體內(nèi)部存在溫度差從而存在密度差，在體積力(浮升力等)作用下所產(chǎn)生的熱對(duì)流稱(chēng)自然對(duì)流，而借助于機(jī)械外力(泵或風(fēng)機(jī)等)推動(dòng)的熱對(duì)流稱(chēng)強(qiáng)制對(duì)流，當(dāng)流體內(nèi)部溫度分布不均勻時(shí)必然要發(fā)生導(dǎo)熱，因此，熱對(duì)流總是伴隨著流 體的導(dǎo)熱。

　　流體流過(guò)溫度不同的固體壁面時(shí)的傳熱過(guò)程稱(chēng)對(duì)流換熱，對(duì)流換熱在工程上(如換熱器中)最具實(shí)際意義。邊界層理論和實(shí)踐證明，由于流體的粘性作用，在壁面處存在一個(gè)具有速度梯度的速度邊界層(圖4-4)，同時(shí)存在一個(gè)具有溫度梯度的熱邊界層，即使是湍流，總還是存在一個(gè)緊貼壁面的層流底層。層流底層內(nèi)垂直于壁面方向的傳熱只能靠導(dǎo)熱，而層流底層以外則主要靠熱對(duì)流，因此，對(duì)流換熱是集導(dǎo)熱和熱對(duì)流于一體的綜合現(xiàn)象。對(duì)于流速不高的高溫多原子氣體，輻射換熱占相當(dāng)比重，不能隨便忽略。

　　影響熱對(duì)流的因素

　　一般地，工程上廣為應(yīng)用的換熱和散熱設(shè)備，其器壁一側(cè)或兩側(cè)與不同溫度的流體相接觸，傳熱過(guò)程主要依靠對(duì)流換熱，因此掌握對(duì)流換熱的機(jī)理和影響因素，對(duì)于換熱設(shè)備的設(shè)計(jì)、計(jì)算、強(qiáng)化和改進(jìn)是十分重要的。對(duì)流換熱受流體導(dǎo)熱和熱對(duì)流的綜合作用，同時(shí)受到流體導(dǎo)熱和對(duì)流規(guī)律的支配。由于流體的粘性作用，貼壁流體流速為零，壁面和流體間的傳熱只能靠導(dǎo)熱。

　　流體運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的原因

　　自然對(duì)流和強(qiáng)制對(duì)流由于起因不同因而具有不同的流動(dòng)和換熱規(guī)律。 強(qiáng)制對(duì)流速度決定于外力所產(chǎn)生的壓差、流道阻力和流體性質(zhì)等，因而換熱強(qiáng)度與決定流動(dòng)狀態(tài)的雷諾(O.Reynolds)數(shù)Re和無(wú)因次物性準(zhǔn)數(shù)普朗特(L.Prandtl)數(shù)Pr密切相關(guān)，如CPU Cooler、VGA Cooler等散熱產(chǎn)品，都是利用風(fēng)機(jī)的動(dòng)力來(lái)加強(qiáng)產(chǎn)品與周?chē)諝獾膿Q熱效率的，參看產(chǎn)品圖片(圖5-1);自然對(duì)流速度除與物性有關(guān)外，與溫差、空間大小、熱面方位以及產(chǎn)生體積力的外力場(chǎng)有極大關(guān)系，因而換熱強(qiáng)度與Pr及代表浮升力的葛拉曉夫(F.Grashof)數(shù)Gr有關(guān)，如Heatsink、Thermal Module等散熱產(chǎn)品，都是利用產(chǎn)品自身與周?chē)諝獾淖匀粚?duì)流來(lái)達(dá)到散熱效果的。