电子设备的热设计原则及散热方式

作者：兰洋科技浏览量：5355 时间：2023年05月09日标签: 电子元器件热设计散热方式

目前,电子元器件正朝着小型化､高集成度和高效率的方向发展,有效地提高了电子设备的性能,并且电子设备的尺寸也朝着小型化的方向发展｡这使得电子产品的热设计更加困难｡电子设备由多个单元模块组成,设备通电工作时,这些电子组件会产生大量热量,并且设备内部的温度会迅速升高｡如果热量不能及时传导散发出去,这将严重影响设备正常工作,甚至损坏｡因此,散热设计是电子设备结构设计中非常重要的部分｡不完全的统计数据表明,每10度的环境组件温度会将组件的可靠性降低一半,温度升高对电子组件性能的影响非常大｡因此,为了有效地保证电子部件的安全可靠运行并确保其使用寿命,必须提高散热设计水平,以实现良好的散热｡

一､热设计的一般原则

(一) 热量传递的方式

通常情况下,有三种传导热量的形式:传导,对流及辐射｡当两个磁场彼此接触时,热量在直接接触的磁场间传递｡对流是指围绕冷却对象的流体介质,其中热量通过该类介质传递｡对流可分成自然对流及强制对流｡当磁场的环境温度增高时,内部能量能通过电磁场辐射到外部,辐射的能量能撞击另一个磁场,而且一部分能量能被该类磁场吸收转化为热量｡

(二) 散热方式的选择

由于电子设备具有多个电子部件,所以设备的结构也相对复杂,电子设备结构的内部传热方式有多种,并且在很多情况下,多种并存｡因此,有必要根据电子元件的参数和工作环境来选择散热方法｡在潮湿环境中使用的电子组件需要采用封闭式设计来散热｡对于不需要封闭式设计的电子设备,选择自然散热作为散热方法,但是对于产生大量热量的设备,有必要促进散热或使用强制空气冷却来散热｡

(三) 元器件布局

元器件是电子设备的重要组成部分,设备内部组件的布局直接影响电子设备的散热效果｡为了使设备工作时的温度区域合理化,有必要在热设计过程中充分了解设备热源的加热条件和组件的参数｡发热组件布局所采用的基本原则是:首先,将发热的组件放置在腔体的顶部或排气口附近;其次,必须分散发热组件以实现温度均匀性｡同时,应使一些热敏组件远离应使用的发热组件或绝缘材料｡

(四) 结构材料的选择

电子设备结构的材料应选择导热系数高的材料,最常用的材料是铝合金和紫铜｡

(五) 导热接触面要求

为了提高散热效率,导热接触面尽可能大,平面度和粗糙度尽可能好,并牢固地粘附接触面,可使用导热酯和导热垫以降低接触电阻｡

二､热设计主要技术

(一) 空气自然对流冷却

该技术利用设备外壳作为散热器,将发热器件固定在外壳上,直接将热量传递到空气中｡自然散热比较适合小功率发热器件｡

(二) 空气强迫对流冷却

该技术不仅设计简单,而且使用起来方便又经济,其用途更加广泛｡然而,由于空气的比热容低,在该技术的噪声限制下风速不是很高｡但是,由于强制风冷具有许多优点,因此尚未中止对该技术的研究以提高其冷却能力,并且我们正在进行突破性尝试,以进一步提高该技术的冷却能力｡

(三) 强迫气体或强迫液体冷却方法

使用强制气体和强制液体控制热点的温度,其中最常用的散热装置就是冷板｡

(四) 液冷技术

由于其高效率和紧凑性,它被广泛用于冷却具有高热流动性的电子单元,并且已经成为热设计研究的焦点｡液冷散热可以是单相液冷或两相液冷,安接触方式主要包括直接接触式液冷和间接非接触式液冷｡

(五) 相变冷却技术

这种技术利用相变材料的相变过程来降低温度,不仅具有较高的热交换效率,而且具有相对均匀的温度分布和非常好的可靠性｡

(六) 热电制冷

它的优点是无噪音和无振动,结构小巧,操作和维护方便,不需要制冷剂,可通过改变电流来调节冷却能力和冷却速度｡广泛用于具有恒定温度和功率密度的系统,它还可用于冷却低温超导电子设｡

(七) 热管技术

热管散热已成为一种非常热门的新型散热技术｡液体在毛细管被热流加热蒸发,在冷凝段蒸汽被管外冷流体冷却放出潜热,凝结为液体｡积聚在冷凝部分的芯子中的冷凝物利用芯子的毛细作用力返回到汽化部分,吸收热量并蒸发｡热管具有高的传热能力,优异的温度均匀性,改变热流密度的能力以及出色的稳定性,可以制成小型轻量化的产品｡

(八) 微通道技术

在各向异性硅晶片或者基片上,各向异性蚀刻用作打造尺度通道,当液体流过情景通道时候,液体能加热或者直接吸取热能｡此时,液体处于非常不平衡的状态,并且传热能量很大｡另外,实验表明,即使当冷却液单相流过微通道时,其冷却效果也远优于使用液体沸腾进行冷却｡