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热设计理论基础(节选2)

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2 传热学

电子产品热设计处理的对象是热量,目标是将设备内元器件的温度控制在合理的范围内。传热学理论是电子产品热设计用到的基本知识。《传热和传质基本原理》中对传热的定义是[4]

传热是因存在温差而发生的热能的转移。

依据热量转移过程的特点,热量的传递方式被划分为三类:热传导,热对流和热辐射。

2.1热传导(thermal conduction

热量通过媒介从高温区域传递到低温区域,并且不引起任何形式的宏观相对运动,具备这种特点的热量转移方式,称为热传导或yabovip6--任意三数字加yabo.com直达官网。

热传导在电子产品中广泛存在。芯片内部的热量传递到封装表面或印制板的过程,印制板内部的热量传递,yabovip6--任意三数字加yabo.com直达官网界面材料内部的热量转移过程,芯片热量传递到安装在其上的散热器上的过程等等。生活中yabovip6--任意三数字加yabo.com直达官网的现象更是比比皆是,如手拿着一根金属棒放在火上烤,不仅与火焰接触的部位会变热,手拿的这一端也会很快升温;烧开水时,烧水壶的把手并未与热水接触,但其也会变热。

实验表明,热传导速率与温度梯度以及物质的种类有关。法国科学家傅里叶提出了定量描述热传导中热流密度的公式:blob.png

这就是着名的傅里叶yabovip6--任意三数字加yabo.com直达官网定律。式中blob.png表示x方向的热流密度,其物理意义为x方向上单位时间内在单位面积上通过的热量,其单位是W/m2T表示温度,k表示yabovip6--任意三数字加yabo.com直达官网系数。如果要计算整个x方向在通过面积为A的yabovip6--任意三数字加yabo.com直达官网面的热通量,公式变为:blob.png

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2-1 傅里叶yabovip6--任意三数字加yabo.com直达官网定律示意图

式中Φ表示热通量,单位是W。可以看到,其单位和功率是相同的。

傅里叶yabovip6--任意三数字加yabo.com直达官网定律论述的是一维yabovip6--任意三数字加yabo.com直达官网问题,直接用它来计算总是在三维空间中进行的传热过程会有所偏差,但通过分析具体的物理场景,这一公式在电子产品热设计中仍然有非常直接的应用。推算yabovip6--任意三数字加yabo.com直达官网界面材料造成的温差就是之一。

当芯片上方装配散热器时,为了降低散热器和芯片表面直接接触不严导致的传热不畅,通常会在两者之间加装柔性的材料用来填充微小缝隙,这种材料就称为界面材料。通常提到的yabovip6--任意三数字加yabo.com直达官网衬垫、yabovip6--任意三数字加yabo.com直达官网硅脂、yabovip6--任意三数字加yabo.com直达官网凝胶等介质,都属于界面材料。

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2-2 芯片die和金属盖、芯片金属盖和散热器之间的yabovip6--任意三数字加yabo.com直达官网界面材料

如上图所示,散热器和芯片之间填充有界面材料。芯片热量发出后,将迅速通过yabovip6--任意三数字加yabo.com直达官网衬垫传递到散热器上,进而散逸到周围的空气中。yabovip6--任意三数字加yabo.com直达官网衬垫中的热量传递中,厚度方向占据绝对份额。如何计算此材料带来的温度影响呢?举例说明如下。

已知:

1)??????? 芯片发热面尺寸为10 mm?10 mm

2)??????? yabovip6--任意三数字加yabo.com直达官网衬垫厚度是0.5 mm

3)??????? yabovip6--任意三数字加yabo.com直达官网系数是2 W/m.K

4)??????? 芯片的功耗是2 W

将上述已知条件带入傅里叶yabovip6--任意三数字加yabo.com直达官网定律,就可计算得出yabovip6--任意三数字加yabo.com直达官网衬垫带来的温差是5


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这一数值与实际相比是偏大的,这会在本书第五章详述原因。测试工程师测试时,如果不方便测试芯片表面的温度,就可以通过测试散热器中心的温度,然后加上这5℃的温差,来推算芯片表面的温度。

从傅里叶yabovip6--任意三数字加yabo.com直达官网定律可以看出,传递相同的热量,材料yabovip6--任意三数字加yabo.com直达官网系数和yabovip6--任意三数字加yabo.com直达官网面积越大,厚度越小,产生的温差也就越低。三者都是线性的关系,非常容易快速推测相关变更带来的影响(以上面yabovip6--任意三数字加yabo.com直达官网衬垫的温差为例,如果yabovip6--任意三数字加yabo.com直达官网衬垫厚度变成1mm,则温差就是10℃)。yabovip6--任意三数字加yabo.com直达官网界面材料的具体选型设计方法将在本书第七章详述。

yabovip6--任意三数字加yabo.com直达官网系数表征物质yabovip6--任意三数字加yabo.com直达官网能力的大小,是物质的物理性质之一。物体的yabovip6--任意三数字加yabo.com直达官网系数与材料的组成、结构、温度、湿度、压强及聚集状态等许多因素有关。一般说来,金属的yabovip6--任意三数字加yabo.com直达官网系数最大,非金属次

之,液体的较小,而气体的最小。各种物质的yabovip6--任意三数字加yabo.com直达官网系数通常用实验方法测定。常见物质的yabovip6--任意三数字加yabo.com直达官网系数可以从手册中查取。各种物质yabovip6--任意三数字加yabo.com直达官网系数的大致范围见表2-1

2-1 电子产品热设计中常用到的金属材料的yabovip6--任意三数字加yabo.com直达官网系数、比热容和密度表

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2.2热对流(thermal convection

热对流指流体内部由于宏观运动导致冷热部分发生相互掺混,由此导致的热量转移。热对流只发生在流体中,单纯研究这一过程,对强化电子产品散热设计意义不大。工程中更加关注的是对流换热(convective heat transfer),即一个物体与其相邻的运动流体之间的传热。本书所有讲述,只针对对流换热。

电子产品散热设计中,风扇提供的风掠过散热翅片,翅片与掠过的风之间的热量交换就是典型的对流换热。实际上,只要存在温差,壁面总是会与其产生相对运动且直接接触的流体之间发生对流换热。从这个概念上理解,笔记本的外壳与空气之间、自然散热的室外基站外壳与空气、冷板中的流体工质与流道壁面间都在发生着对流换热。

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2-3 强迫对流换热和自然对流换热

对流换热的计算公式是牛顿冷却定律:blob.png

式中,q为传热量,h称为对流换热系数,A为换热面面积,Tw为固体表面温度,Tf为流体温度。显然,当Tw >Tf时,q为正值,表示热量从固体传递到流体。q为负值时,则表示热量从流体传向固体。下表列示了不同情境下表面传热系数的大致范围。

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2-4 不同情境下对流换热系数大致范围

(强迫对流空气流速3m/s~15m/s,强迫对流液体流速0.3m/s~1.5m/s[5]

表面换热系数的影响因素繁杂,它不仅取决于流体的热物理性质(如yabovip6--任意三数字加yabo.com直达官网系数、粘度、比热容、密度等)以及换热表面的几何形式,还与流体速度强烈相关。实际情形对流换热公式非常复杂,目前绝大多数都是经验公式,且有严格的适用限制条件。不过,牛顿冷却公式将这些复杂的因素全部归结到对流换热系数中去了。

从公式中可以发现,表面传热系数和换热面积越大,越利于换热。增大换热系数,可以通过提高流体速度来实现,所以通常情况下功耗更高的芯片,往往需要装配更大的散热器,也使用更为强劲的风扇。

2.3热辐射(thermal radiation

热辐射是处于非绝对零度下的物体辐射出的热能。自然界中的物体不停地向空间中辐射热能,同时也在不断地吸收其它物体发出的热辐射,这种通过发射和吸收热辐射的过程,就称为辐射换热(Radioactive heat transfer)。从第一章温度的物理意义可知,辐射是物质的内在属性,不会因为外界的变化而发生变化。当物体与周围环境达到热平衡时,辐射过程仍在进行,只不过物体发出的辐射能与接收的辐射能相等了。

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2-5 电磁波谱


虽然气体和液体也会产生辐射,但电子产品热设计中,气体和液体的热辐射对于当前的产品特点来看,没有显着影响。本书只讨论固体的热辐射。

辐射换热与热传导和对流换热的区别主要有三点:

l? 辐射换热不需要中间介质:实际上,真空中两个表面间的辐射换热效率最高;

l? 辐射换热不仅涉及能量的转移,还涉及到能量形式的转化:发射时热能转换为辐射能,而吸收时辐射能转换为热能;

l? 辐射换热的效率与两个面温度的四次方差成正比,而对流换热和热传导则都是一次方差,因此,物体表面温度越高,辐射换热所占据的比例就越大。

太阳与地球之间的换热,就是典型的辐射换热。类似对流换热,辐射换热的计算公式往往也非常繁杂。其换热强度不仅与温度和物体表面材质有关,还与物体间的几何相对位置有关。不同的物体,即使在相同的温度下,其辐射热能的能力也是不同的。黑体是一种概念性的物体,它表示自然界中同等温度下辐射能力最强物质。黑体单位时间内辐射出的热能用斯特藩-玻尔兹曼Stefan-Boltzmann定律来描述:Φ = σAT4

式中:σ为斯特藩-玻尔兹曼常量(Stefan–Boltzmann constant),大小为5.67?10-8 W/(m2K4)A为辐射表面积,T是辐射表面的温度,单位是K


对于实际的物体,其辐射能力总是弱于黑体,通常用如下公式表示其单位时间内辐射出的热能:Φ = εσAT4

式中,0<>,称为物体的发射率。物体的发射率与众多因素有关,正确理解其影响因素,对于自然散热产品的热设计有关键影响。

物体总的辐射换热量,需要综合计算发出的辐射和吸收的辐射两个效果。对于两个无限接近的温度均匀的表面1和表面2,表面1通过辐射换热所得的热量可以按照下式计算:

? ? ? ?Φ = ε1σA1(T24 T14)

通过公式可以看到,加强表面辐射的有效手段之一是增强表面发射率。

电子产品散热设计中经常用到的一些表面的表面发射率为如下表:

2-2 室温下常见表面的可见光吸收率和红外线表面发射率[6]

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维恩位移定律(Wien displacement law)是热辐射的基本定律之一,它的内容是:在一定温度下,绝对黑体的温度与辐射本领最大值相对应的波长λ的乘积为一常数,即

λmT = b

式中,b=0.002897m·K,称为维恩常量。电子产品热设计中常用到的温度范围约为-40~150℃(233K~423K,对应的辐射波长约为12μm~7μm,恰好位于红外线波段。可见光波长为390nm ~ 780nm,对应热源温度是:3714 K ~ 7428 K。因此,对于室内自然散热的产品(不接收太阳光),颜色与辐射换热强度没有任何关系。说哪种颜色的外壳有利于散热,是一种误解。

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2-6 黑色阳极氧化处理后的铝合金散热器(左,表面红外辐射系数~0.8),抛光面铝合金散热器

(右,表面红外辐射系数~0.03

至此,我们概述了传热的三种基本形式。读者应该了解,这三种传热方式往往同时出现,下图示意了某Intel平台服务器部分热量传递路径。三种热量传递方式的散热方案优化设计的根本依据

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2-7 某风冷服务器内CPU热量传递路径和传热机理归类



参考文献:

[1] 斯塔夫里阿诺斯. . , 2005, 2(005).

[2] Clausius, Rudolf. (1879). Mechanical Theory of Heat, 2nd Edition. London: Macmillan & Co.

[3] 向义和. 大学物理导论: 物理学的理论与方法, 历史与前沿[M]. 清华大学出版社有限公司, 1999.

[4] 英克鲁佩勒. 传热和传质基本原理[M]. 化学工业出版社, 2007.

[5] 杨世铭, 陶文铨. 传热学 第三版[M]. 高等教育出版社, 1998.

[6] YounesShabany, 夏班尼, 余小玲等. 传热学:电力电子器件热管理[M]. 机械工业出版社, 2013.


? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?本篇内容节选自:陈继良.从零开始学散热.第四版.第二章


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