电子装备设计技术第6章电子设备散热设计技术.ppt

第6章电子设备散热设计技术
散热原理
电子元器件的散热
电子设备机内散热
箱体的通风散热
散热原理 热是一种能量,热能总是自然地从高温向低温方向传递。热能传递的基本方式包括热传导、热对流和热辐射三种形式。 无论是固体还是停滞的流体,当它与介质相互接触并与介质存在温差时,两者之间都会进行热交换,这种换热称为传导换热;当运动着的流体与介质表面存在温差时,它们之间也会产生热交换,这种换热称为对流换热;具有一定温度的表面,不管是否存在中间介质,只要是依靠电磁波传播方式进行的热量交换,都称为辐射换热。这三种换热形式下的热量交换过程对应的即为热传导、热对流和热辐射方式。
传导换热  在热量传递过程中,通常用等温面或等温线来表示物体的温度变化。某一瞬间物体内部相同温度点构成了一个等温面,通常是不规则的曲面,如与平面相交,其交线就是等温线,为了说明温度的变化率,通常将等温面或等温线法线方向的温度变化增量与法线方向的距离之比取极限,称为温度梯度。
平板温度梯级
为便于说明,取一单层平板,厚度为δ,其高度与宽度很大,两侧表面分别维持均匀而恒定的温度t1和t2,这时它的等温面成为相互平行的平面,等温线为相互平行的直线,。 此时的温度梯度t′可用下式表示:
()
温度梯度是一个矢量,其方向沿等温面法线方向,并规定温度增加的方向为正向。由于温度总是从高温向低温方向传递,因此热传递的方向与温度梯度方向相反。
 1)傅里叶定律 在纯导热的条件下,单位时间内通过给定面积的热量与该处的温度梯度及垂直于导热方向的截面积成正比,这就是导热的基本定律,又称傅里叶(Fourier)定律。对于大块平板,傅里叶定律可用公式表示为
()
式中:Q为单位时间内通过面积S的热量,单位为W;S为垂直于导热方向的横截面面积,单位为m2;λ为导热系数,单位为W/(m·℃);dt/dx为温度梯度,单位为℃/m。
负号表示热传递的方向与温度梯度的方向相反。 由式()可得,在单位时间内,单位面积所通过的热量即热流密度q为
()
对于大块平板,上式可变换为
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对上式积分,并代入相应的条件(x=0时t=t1;x=δ时t=t2),并设
()
则经整理可得:
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式中:Δt=t1-t2。
2)热阻Rt 各类电子组装设备温升的控制,均可用其热阻值来表征,由电子器件的结片至热沉之间的总热阻,可划分为器件级、组装级和系统级热阻。 器件级热阻又称为内热阻,表示从发热芯片或其他电路元器件的结片至元器件外壳之间的热阻;组装级热阻又称为外热阻,表示热流从元器件外壳流向某个参考点的热阻,参考点的选择可以是耗热元件周围的环境温度、印制电路板的端部温度,也可以是冷板某一点的温度;系统级热阻又称为最终的热阻,表示冷却剂(空气或液体)至终端热沉的热阻。 当物体相互接触时,两接触面不可能绝对平整、光滑,其间有一薄层空气或其他介质,在接触面处将产生温度降,由此引起的附加热阻称为接触热阻。影响接触热阻的因素包括接触表面的平面度、粗糙度、硬度、清洁度、氧化程度以及压力等。
3)导热系数λ 导热系数λ是一个表示物体导热能力的物理量,是单位时间内通过单位长度温度每下降1℃所传递的热量。 不同物质有不同的传热系数,通常金属的导热系数最大,非金属次之,液体较小,气体最小,如空气可作隔热夹层。结晶体比非结晶体材料有更高的导热系数。对于复合材料(例如,电子组装中大量使用的硅脂或导热膏),则取决于其组成成分本身的导热系数。 对于传热系数很低的材料,可以把它定为隔热材料。/(m·℃)的材料称为绝缘材料。 纯金属材料的导热系数随温度的增加而减小;非金属材料的导热系数随温度的增加而增加;合金材料的导热系数由其合金含量的组成决定。