[散热技术] 自然散热方式及表面散热强化(转载)

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[LV.5]⑤大理榜眼

发表于 2018-8-5 10:54:23 | 显示全部楼层 |阅读模式
    热产生的原因是大量的分子无规则运动,分子相互碰撞就产生了热传递。所以除非超导体(绝对零度下的产物)无分子运动,每个物体都有自己的热和热传递。哪一天分子都有序运动没有碰撞即超导体完全商用,热这门工作就可结束了,不过超导还只是理论,热理论也才仅存在200多年,现在电子产品盛行,热设计正式大行其道绝对辉煌的时刻。
热力学最基本的三种散热方式:传导,对流,辐射。对应三大理**式如下:


由三个公式分析每种散热的强化方式。


温差,热力学第一定律,能量由高温物体流向低温物体,有了温差就有了驱动力,强化换热能力第一点,加大温差,对导热,对流,辐射换热都有强化效果,并且辐射是与温度的4次方成正比,影响最大。对于自然散热产品,常温环境下的测试结果推算高温结果是偏高的,因为高温辐射明显加强了。


除温差影响外,其他方式基本是物性变化了。


导热,与材料的导热系数成正比,各种材料导热系数,如下附表,银的导热系数在众金属中最高,在金属中,一般导热率和导电率性能一致,一般电导性能好的金属其热导性能也优。在非金属中,金刚石(碳4结构)导热系数最高达2300W/mk,石墨(碳层结构),纵向导热1500W/mk,横向导热系数较低达100w/mk。


最近石墨散热器有很多人在研究,其中石墨散热器较陶瓷散热器易加工,石墨材料具有比铝材料更好的导热性,铝的密度2.7g/cm3,而石墨只有1.9g/cm3,重量也比铜轻78%。但石墨较脆,一般散热器的散热片采用石墨制造,基座仍然采用铜或铝材。散热片用导热环氧树脂粘接到基座上,以保持散热器的轻便。散热器通过将热量均匀分布在二维平面来达到散热的目的。有网友发表测试结果,宣称石墨散热器可提高10度的改善幅度。
    继续说下表,下表除了纯金属外还有一些化合物,最近有网友宣称采用氮化硼对散热器表面进行处理可以改善散热器6~8℃,我们看到下表中,六方氮化硼(导热系数120W/mk)确实比氧化铝(20W/mk)导热系数高许多,但是在金属散热器表面的氧化层厚度只有几个微米,计算导热热阻,这点厚度上的导热能力提升其作用根本微乎其微。那么是什么使得采用氮化硼的散热器散热性能提高了呢?刚才我们介绍了导热三个基本散热措施,自然散热产品,改变表面,充其量增加百分之零点几的表面积及可忽略不及的换热系数强化,对对流效果影响甚微,而导热作用也微乎其微,那么唯一有可能大幅改变的就只有辐射了。而辐射中表面状态恰恰可对辐射效果产生较大影响。
自然散热方式及表面散热强化





所谓黑度即是物体表面发射率,物体辐射能量与表面黑度成正比,一般发射率小于1,数值越大越好。纯铝散热器表面氧化形成氧化铝保护膜的其表面黑度大约0.03而氮化硼的黑度可达0.9以上, 辐射能量提升了近30倍,这就是经过表面处理的散热器及设备器件温度降低最大可达6~8℃的直接原因。




说了如此多的自然散热方法及强化自然散热措施,那么怎样的条件可以选择自然散热方式呢?


再提供一张经典图片,供各位网友分析研究,一般自然散热的对流换热系数大约在2~8W/m2k,热流密度大约为0.024W/cm2~0.064W/cm2,强迫风冷的对流换热系数一般在20~150W/m2k,热流密度大约0.1W/cm2~0.6W/cm2,即下表所展示的那样,根据所例的热流密度即可选择对应的散热形式,每种散热形式都是逐渐过度,没有明显的分界形式,在某些情况下,两种方式可能都适合选择,但选择风冷和自然散热将各有不同的优缺点,要设计者根据实际情况和设计经验活学活用,找到最适合产品的散热方法。


来源 http://blog.sina.com.cn/s/blog_6c245c800100n5z5.html

附一个各种材料发射率的资料
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