热设计基础知识 热量的传递有导热,对流换热及辐射换热三种方式。在终端设备散 热过程中,这三种方式都有发生。三种传热方式传递的热量分别由以下 公式计算 导热公式:入 δ 对流换热公式:a 辐射次方定律: 其中λ、α、ε分别为导热系数,对流换热系数及表面的发射率,是 换热面积。 HUAWEI TECHNOLOGIES CO. LTD Huawei confidential Page 3 HUAW∈ 、热量传递的三种基本方式 导热 物体各部分之间不发生相 Junction 对位移时,依靠分子、原子及 Lid Bond wires Air gap 自由电子等微观例子的热运动 ase 而产生的热量称为导热。例 eads Chip 如,固体内部的热量传递和不成签琴 同固体通过接触面的热量传递 Lead trame Bond 都是导热现象。芯片向壳体外 部传递热量主要就是通过导热。 HUAWEI TECHNOLOGIES CO. LTD Huawei confidential Page 4 HUAW∈ 导热 导热过程中传递的热量按照导热定律计算: 入 其中:为与热量传递方向垂直的面积,单位为 与分别为高温与低温面的温度 δ为两个面之间的距离,单位为。 λ为材料的导热系数,单位为°C),表示了该材料导热能 力的大小。一般说,固体的导热系数大于液体,液体的大于气体。例如 常温下纯铜的导热系数高达 °C),纯铝的导热系数为 °C),水的导热系数为 °C),而空气仅 °C) 左右。铝的导热系数高且密度低,所以散热器基本都采用铝合金加工, 但在一些大功率芯片散热中,为了提升散热性能,常采用铝散热器嵌铜 块或者铜散热器。 HUAWEI TECHNOLOGIES CO. LTD Huawei confidential Page 5 HUAW∈ 导热 传导问题应用举例 HTIPHHN Hn t nE PiEa materiall M BLT 重重 Material 1 Figure 1. 3cLeuatic ofv arjona resistance compouents of u 上亮体 导热材料 PCB 需件 HUAWEI TECHNOLOGIES CO. LTD Huawei confidential Page 6 HUAW∈ 对流换热 对流换热是指运动着的流体流经温度与之不同的固体表面时与固体 表面之间发生的热量交换过程,这是通信设备散热中中应用最广的一种 换热方式。根据流动的起因不同,对流换热可以分为强制对流换热和自 然对流换热两类。前者是由于泵、风机或其他外部动力源所造成的,而 后者通常是由于流体自身温度场的不均匀性造成不均匀的密度场,由此 立生的浮升力成为运动的动力 机柜中通常采用的风扇冷却散热就是最典型的强制对流换热。在终 端产品中主要是自然对流换热。自然对流散热分为大空间自然对流(例 如终端外壳和外界空气间的换热)和有限空间自然对流(例如终端内的 单板和终端内的空气)。值得注意的是,当终端外壳与单板的距离小于 定值时,就无法形成自然对流,例如手机的单板与外壳之间就只是以 空气为介质的热传导。 HUAWEI TECHNOLOGIES CO. LTD Huawei confidential Page HUAW∈ 对流换热 对流换热的热量按照牛顿冷却定律计算t tw固体表面温度 其中: 为与热量传递方向垂直的面积, tf流体温度 单位为 X 与分别为固体壁面与流体的温度, 是对流换热系数,自然对流时换热系数在 °C量级,实 际应用时一般不会超过 °C;强制对流时换热系数在 °C量级,实际应用时一般不会超过°CC HUAWEI TECHNOLOGIES CO. LTD Huawei confidential Page 8 HUAW∈ 热辐射 辐射是通过电磁波来传递能量的过程,热辐射是由于物体的温度高于绝对零 度时发岀电磁波的过程,两个物体之间通过热辐射传递热量称为辐射换热。物体 的辐射力计算公式为: 物体表面之问的热辐射计算是极为复杂的,其中最简单的两个面积相同且 正对着的表面问的辐射换热量计算公式为: 公式中指的是物体的绝对温度值=摄氏温度值+ ε是表面的黑度或发 射率,该值取决于物质种类,表面温度和表面状况,与外界条件无关,也与颜色 无关。磨光的铝表面的黑度为氧化的铝表面的黑度为,油漆表面的黑度 达到,雪的黑度为。 由于辐射换热不是线性关系,当环境温度升高时,终端的温度与环境的相 同温差条件下会散去更多的热量 HUAWEI TECHNOLOGIES CO. LTD Huawei confidential Page 9 HUAW∈ 热辐射 塑料外壳表面喷漆,表面会涂敷绿油,表面黑度都可以达到 ,这些都有利于辐射散热。对于金属外壳,可以进行一些表面处理 来提高黑度,强化散热 对辐射散热一个最大错误认识是认为黑色可以强化热辐射,通常散 热器表面黑色处理也助长了这种认识。实际上物体温度低于°C时, 有意义的热辐射波长位于 u之间,且大部分能量位于红外波 段 μ范围内,在可见光波段内,热辐射能量比重并不大。颜色 只与可见光吸收相关,与红外辐射无关,夏天人们穿浅色的衣服降低太 阳光中的可见光辐射吸收。因此终端內部可以随意涂敷各种颜色的漆。 HUAWEI TECHNOLOGIES CO. LTD Huawei confidential Page 10 HUAW∈