电子散热设计的原理解析

　　传热现象在自然界普遍存在，有温差的地方就会有热量传递发生。具体到在工程技术领域中，掌握传热体系内的传热量和温度分布最具有实际意义。一般来说，对于无内热源的稳定传热过程，传热量(Q或q)和传热温差⊿t的关系可表示为下列一般形式：

　　Q=qF=⊿t/ R W

　　或 q=Q/F=⊿t/r W/m2

　　式中Q亦称热流量。q亦称热流率或热流密度，⊿t[℃]亦称传热推动力，F[m2]为传热面积，R[℃/W]为热阻，r =RF[m2. ℃/W]称单位面积热阻.

　　传热的基本方式有传导、辐射和对流三种，但实际换热过程往往是以一种形式为主的复合换热方式。

　　热 传 导

　　同一物体内部或互相接触的物体之间，当温度 不同但没有相对的宏观位移时的传热方式叫热传导 或导热。微观来看，气体导热基于分子或原子的彼 此碰撞;液体和非导电固体导热的机理是分子或原 子振动产生的弹性波作用;而金属导热则主要靠自 由电子的扩散传播能量。

　　热 辐 射

　　物体通过电磁波传播能量的过程叫辐射，热辐射则专指波长为0.1~100μm的热射线在空间传播能量的现象。任何物体均能不断地向外界发射辐射能同时也接受来自周围物体的辐射能。物体把热能以电磁波形式发射出去,接受这种电磁波的物体又将其转变为热能，两物体间的辐射换热为相互辐射热量的差额。热辐射不需要媒介质并伴随着能量形式的转化是辐射换热的特点。辐射能可以在真空中、少数透明固体和气体中传播，在大多数固、液体中无法传播，而在其表面被吸收或反射;热射线通过含有多原子 气体的气层时，可在透过气层厚 度时被逐步吸收。

　　利用热辐射最典型的例子莫过于微波炉的发热原理。我们现在的散热器，其实都有热辐射发生。散热器在吸收了热量后，都会自动的往周围空气中辐射热，如果没有对流空气的热交换，这种辐射现象比较缓慢。

　　热 对 流

　　由于流体各部分宏观位移引起的热量转移现象称为热对流。 流体内部存在温度差从而存在密度差，在体积力(浮升力等)作用下所产生的热对流称自然对流，而借助于机械外力(泵或风机等)推动的热对流称强制对流，当流体内部温度分布不均匀时必然要发生导热，因此，热对流总是伴随着流 体的导热。

　　流体流过温度不同的固体壁面时的传热过程称对流换热，对流换热在工程上(如换热器中)最具实际意义。边界层理论和实践证明，由于流体的粘性作用，在壁面处存在一个具有速度梯度的速度边界层(图4-4)，同时存在一个具有温度梯度的热边界层，即使是湍流，总还是存在一个紧贴壁面的层流底层。层流底层内垂直于壁面方向的传热只能靠导热，而层流底层以外则主要靠热对流，因此，对流换热是集导热和热对流于一体的综合现象。对于流速不高的高温多原子气体，辐射换热占相当比重，不能随便忽略。

　　影响热对流的因素

　　一般地，工程上广为应用的换热和散热设备，其器壁一侧或两侧与不同温度的流体相接触，传热过程主要依靠对流换热，因此掌握对流换热的机理和影响因素，对于换热设备的设计、计算、强化和改进是十分重要的。对流换热受流体导热和热对流的综合作用，同时受到流体导热和对流规律的支配。由于流体的粘性作用，贴壁流体流速为零，壁面和流体间的传热只能靠导热。

　　流体运动产生的原因

　　自然对流和强制对流由于起因不同因而具有不同的流动和换热规律。 强制对流速度决定于外力所产生的压差、流道阻力和流体性质等，因而换热强度与决定流动状态的雷诺(O.Reynolds)数Re和无因次物性准数普朗特(L.Prandtl)数Pr密切相关，如CPU Cooler、VGA Cooler等散热产品，都是利用风机的动力来加强产品与周围空气的换热效率的，参看产品图片(图5-1);自然对流速度除与物性有关外，与温差、空间大小、热面方位以及产生体积力的外力场有极大关系，因而换热强度与Pr及代表浮升力的葛拉晓夫(F.Grashof)数Gr有关，如Heatsink、Thermal Module等散热产品，都是利用产品自身与周围空气的自然对流来达到散热效果的。