第三章自然对流换热
当发热表面温升为40℃或更高时,如果热流密度小于0.04W/cm,则一般可以通
过自然对流的方式冷却,不必使用风扇。自然对流主要通过空气受热膨胀产生的浮升
力使空气不断流过发热表面,实现散热。这种换热方式不需要任何辅助设备,所以不
需要维护,成本最低。只要热设计和热测试表明系统通过自然对流足以散热,应尽量
不使用风扇。
3.1自然对流热设计要考虑的问题
如果设计不当,元器件温升过高,将不得不采用风扇。合理全面的自然对流热设
计必须考虑如下问题:
3.1.1元器件布局是否合理。在布置元器件时,应将不耐热的元件放在靠近进风口的位
置,而且位于功率大、发热量大的元器件的上游,尽量远离高温元件,以避免辐射的
影响,如果无法远离,也可以用热屏蔽板(抛光的金属薄板,黑度越小越好)隔开;
将本身发热而又耐热的元件放在靠近出风口的位置或顶部;一般应将热流密度高的元
器件放在边沿与顶部,靠近出风口的位置,但如果不能承受较高温度,也要放在进风
口附近,注意尽量与其他发热元件和热敏元件在空气上升方向上错开位置;大功率的
元器件尽量分散布局,避免热源集中;不同大小尺寸的元器件尽量均匀排列,使风阻
均布,风量分布均匀。
单板上元器件的布局应根据各元件的参数和使用要求综合确定。
3.1.2是否有足够的自然对流空间。元器件与元器件之间,元器件与结构件之间应保持
一定距离,通常至少13mm,以利于空气流动,增强对流换热。一些具体的参考距离尺
寸如下:
3.1.2.1对相邻的两垂直发热表面,d/L=0.25,如图3-1-(a)所示;
3.1.2.2对相邻的垂直发热表面与冷表面间距,dmin=2.5mm,如图3-1-(b)所示;
3.1.2.3.对邻近的水平发热圆柱体和冷的上表面之间,d/D=0.85,如图3-1-(c)所示;
3.1.2.4对邻近的水平发热圆柱体和冷的垂直表面之间,d/D=0.7,如图3-1-(d)所示;
3.1.2.5对邻近的水平发热圆柱体和冷的水平底面之间,d/D=0.65,如图3-1-(e)所示;
图3自然对流时元器件排列的距离关系
竖直放置的电路板上的元件与相邻单板之间的间隙至少为19mm。进出风口应尽量远
离,避免气流短路,通风口尽量对准散热要求高的元件。
3.1.3是否充分运用了导热的传热途径。由于自然对流的换热系数很低,一般为
2
3~10W/m℃,元件表面积很小或空间较小无法充分对流时,散热量会很小,这时应尽
量采用导热的方式,利用导热系数较高的金属或导热绝缘材料(如导热硅胶,云母,
导热陶瓷,导热垫等)将元件与机壳或冷板相连,将热量通过更大的表面积散掉。
3.1.4使用散热器。对于个别热流密度较高的元器件,如果自然对流时温升过高,可以
设计或选用散热器以增加散热表面,设计选用方法见第5章。
3.1.5是否充分运用了辐射的传热途径。高温元件可以通过辐射将部分热量传递给机
壳,机壳对辐射热的吸收强度和表面的黑度成正比。表面粗糙度越高,黑度越高,而
颜色对黑度的影响并不如人们一般认为的那样明显。当机壳表面涂漆,黑度可以达到
很高,接近1。在一个密闭的机盒中,机壳内外表面涂漆比不涂漆时元件温升平均将下
降10%左右。
3.1.6其他的冷却技术。如果高热流密度元器件附近的空间有限,无法安装大散热器,
可以采用冷管,将热量导到其他有足够空间安装散热器的位置。
综合考虑上述问题时,将会有许多不同的结构布局方案,用一般的理论公式较难
分析有限空间的复杂流动和换热,也难以比较方案的好坏。最好采用热设计仿真分析
软件对机箱/盒建模划分网格并计算,然后可以方便地改动布局方案再次计算,比较不
同方案的计算结果,即可获得最佳的或满足要求的方案。国外许多通信公司都采用这
种软件帮助新产品的热设计,使一些产品避免采用风扇散热。
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