从传热理论到实际应用——散热器优化设计思路透视

散热器是电子产品热设计中最常用到的散热强化部件。其强化原理是增加换热面积。同热设计所有部件的设计类似，散热器的优化设计思路也需要从热量传递的三种基本方式出发。

1热传导——优化散热器扩散热阻

当电子元器件上方附加散热器时，热量从器件内部传递到散热器上，以及热量在散热器内部的传递都属于热传导。经典传热学中热传导可以用傅里叶导热公式描述：

式中，q表示x方向的热流密度。T表示温度。A是导热方向截面积，k是导热系数。                            

从上式可以看出，导热系数和导热截面积是热传导中影响传热效率的两个关键变量。

在常见的金属中，铝合金和铜合金的导热效能和经济性综合表现是比较好的。因此常见的散热器材质主要是铝合金和铜合金。

提高导热系数是为了降低扩散热阻。扩散热阻尤其在芯片热流密度较高，或者翅片长厚比较大时表现明显。但材料的导热系数提高是有限的，提高散热器基板厚度、翅片厚度等从导热截面面积出发的手段，又受到空间的限制。这样，热管和均温板的使用，在某些热流密度大的场景就非常有优势。

热管和均温板的具体选用和散热强化原理会在第九章详细阐述，简单来讲，可以将其视为一种导热系数极高的传热部件。在高热流密度的场景中，通过在散热器底部镶嵌热管或均温板，可以有效降低扩散热阻，优化散热。

注：图示数字仅供定性示意均温板的效果，具体情况以实际场景为准。

2 对流换热——强化对流换热效率

先来看用来描述对流换热的牛顿冷却定律：

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，通过提升对流换热面积，可以直接强化换热。但提升换热面积，通常意味着散热器要做的尺寸更大，进而导致产品整体尺寸变大。这不符合电子产品越来越紧凑的趋势。另外，绝大多数情况下，加大散热器还意味着散热成本提升。当空间给定，加大散热面积还必须要同时考虑系统风阻，因为细密的散热器在加大散热面积的同时，还会增加风阻，影响内部空气流动，进而降低对流换热系数。要获得最佳的散热面积和对流换热系数的综合最优值，需要多次测试优化对比。

斜齿 断齿设计

除了单纯改变散热器齿间距来获得更高的对流换热系数，散热器的断齿、斜齿、开花齿等，都是在散热面积与对流换热系数之间做权衡。通过降风阻、间隙吸入冷风的效应，来优化散热效果。

断齿设计

开花齿设计

在系统级的产品设计中，结合整体风道，多个散热器之间需要相互配合，充分利用系统风量，弱化热级联效应。

3 辐射换热——选择合适的表面处理方式

使用自然散热的电子产品，辐射换热往往占有不可忽略的比例。当散热器几何结构设计已经完成时，表面处理方式会显著影响换热效果。电子产品工作的温度范围内，红外线时主要的辐射波长。辐射换热强度与产品的红外辐射率成正比。对于暴露在阳关下的户外产品，设备表面与太阳之间的辐射换热则与其可见光辐射率成正比。

由上可知，对于辐射换热，表面处理应当按照如下思路进行设计：

1. 室内产品：结合散热器的工作温度，提高表面红外辐射率；

2. 散热器暴露在阳光下的产品：提高表面红外辐射率，降低表面可见光辐射率。

4 小结

假定产品内部其它部分设计都已定型，从三种基本热量传递方式的角度进行归纳，散热器的主要优化思路可总结如下：

作者简介：陈继良，仿真秀专栏作者，文章节选自机械工业出版社发行，陈继良老师编著的《从零开始学散热》，点击可订购。