电子设备热设计(Thermal Design of Electronic Equipment)-9

一、辐射换热

热设计工程师通常不关心电子元件和外壳的辐射换热。

影响辐射换热的三个因素是物体与其周围环境之间的温差、物体与其周围的表面特征以及物体对周围环境的状态。

首先，温度差是设备外壳和外部机箱之间的差值，或者外部机箱和房间墙壁之间的差值。由于辐射热传递是基于这种温差的，当组件与其周围环境之间的差值变得足够高，辐射散热就变得足够重要了，此时设备很可能已经超过了其最高结温。但在室温下，辐射换热还不到空气中对流换热所能传递热量的10%。

其次，覆盖设备或机箱的表面特性是另一个重要变量。电子产品中使用的材料通常对辐射是不透明的。但在用于电子器件的温度范围内，表面的颜色不会影响辐射发射率。

最后是视图因子。这是离开一个表面并被另一个表面拦截的辐射的分数。对于较大球体内的球体，这可能高达1.0，或者非常低，例如两个角度接近180°的板。代数方程可以计算视图因子，不过这通常需要在计算机的帮助下完成。

尽管在电子封装时通常不考虑辐射，但封装可能会通过靠近高温源来吸收辐射热。这种情况可能发生在汽车的发动机舱中，其中电子模块暴露在热发动机部件和排气歧管的辐射热中。虽然物体的颜色在辐射冷却中并不重要，但当物体可以从宽带辐射源吸收热能时，颜色就很重要了，尤其是当我们将电子封装暴露在阳光下时。

二、自然对流和辐射换热条件下的电子散热器

半导体技术的快速发展已经导致微电子器件的散热增加。被动冷却是电子和电力电子设备的广泛首选方法，因为它是一种价格低廉、安静且无故障的解决方案。空气冷却被认为是电子封装热设计中的一项重要技术，因为在成本、空间和重量限制下，使用翅片来增强空气冷却是最简单有效的散热器结构。因此，开发一种系统的空气冷却散热器设计方法对于满足当前的热需求和未来电子元件的高温具有非常重要的意义。

仿真计算的目的是：研究在翅片上添加间断的影响，并确定翅片阵列不同几何参数的最佳值，主要是翅片的高度、间距和厚度。上一节中提到，当散热器被加热时，热边界层开始在相邻散热片的相对表面的底部边缘形成。如果翅片或通道足够长，则边界层最终合并，从而产生完全展开的通道流。间断的翅片破坏了热边界层的生长，保持了热发展的流动状态，这反过来又导致了更高的自然传热系数。

仿真计算的翅片几何形状以及几何参数如图所示。取一个立方体电子外壳（100cm X 100cm X 100 cm），中心线热负载产生50W的热量。翅片用于两个侧面。环境温度为328K。

辐射传热系数的计算，参考下图，相邻表面的辐射屏蔽效应。

1. 计算无散热片的仿真结果如下图所示。

模拟结果表明，平均表面温度接近390K左右。

2. 带连续散热片的仿真结果如下图所示。

模拟结果表明，平均表面温度接近356 K左右。

3. 带间断散热器（每个散热片中心有5mm的切口）的仿真结果如下图所示。

模拟结果表明，平均表面温度接近344K左右。

从计算结果中可以看出，由于翅片的中断，与连续翅片散热器相同情况下，表面温度降低了近10K。这是由于翅片中的中断重置了流体动力学和热边界层，并且新的边界层生长，从而增加了整体对流传热系数。

文章来源：CAE工程师笔记