【摘要】目前電子技術(shù)的發(fā)展速度在不斷的提高,一些大功率和高功率的的元器件得以廣泛的研制出來,而在對(duì)這些電子元器件進(jìn)行合理時(shí),則需要對(duì)其散熱性進(jìn)行充分的考慮,做好熱設(shè)計(jì)工作,從而確保電子元器件性能的可靠性。本文對(duì)電子設(shè)備散熱設(shè)計(jì)的一般原則進(jìn)行了分析,并進(jìn)一步對(duì)熱設(shè)計(jì)的主要技術(shù)進(jìn)行了具體的闡述。
【關(guān)鍵詞】電子設(shè)備;散熱;熱設(shè)計(jì);原則;技術(shù)
1.引言
目前電子元器件開始向小型化、微型化、高集成化和微組裝的方向發(fā)展,這就有效提高了電子設(shè)備的性能,同時(shí)電子設(shè)備的體積也在不斷的向小型化方向發(fā)展,這就給電子設(shè)備的熱設(shè)計(jì)帶來了較大的難度。由于電子設(shè)備是由若干個(gè)電子元器件組成的,而當(dāng)電子設(shè)備處于通電狀況時(shí),這些電子元器件則會(huì)產(chǎn)生大量的熱量,導(dǎo)致設(shè)備內(nèi)部的溫度不斷的升高,而當(dāng)溫度升高到一定程度時(shí),則會(huì)使設(shè)備的正常運(yùn)行受到影響。所以對(duì)于電子設(shè)備的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí),其散熱設(shè)計(jì)是其中極為關(guān)鍵的部分。據(jù)一項(xiàng)不完全統(tǒng)計(jì)表明,元器件所處環(huán)境溫度每升高10度,則其可靠性則會(huì)降低一半,這充分的說明了溫度的升高對(duì)電子元器件性能的影響。所以為了有效的保證電子元器件能夠安全可靠的工作,確保其使用壽命,則需要加強(qiáng)其熱設(shè)計(jì)的水平,使其具有良好的散熱性。
2.熱設(shè)計(jì)的一般原則
2.1 熱量傳遞的方式
通常情況下熱量傳遞的方式有三種,即傳導(dǎo)、對(duì)流和輻射。當(dāng)兩個(gè)物體直接接觸在一起時(shí),其熱量會(huì)在直接接觸的物體之間進(jìn)行傳遞,即是熱量通過傳導(dǎo)的方式進(jìn)行傳遞;而對(duì)流是指發(fā)熱物體周圍具有流動(dòng)性的介質(zhì),熱量通過介質(zhì)的作用進(jìn)行轉(zhuǎn)移,即所說的對(duì)流,由于介質(zhì)運(yùn)動(dòng)的原因不同,所以對(duì)流可分為自然對(duì)流和強(qiáng)迫對(duì)流兩種。而當(dāng)物體溫度升高時(shí),其內(nèi)部的能量則會(huì)通過電磁波的方式向外輻射,而輻射出去的能量落在其他物體上,會(huì)有一部分能量被物體吸收,從而轉(zhuǎn)化為熱能。
2.2 散熱方式的選擇
由于電子設(shè)備存在著若干個(gè)電子元器件,其設(shè)備的結(jié)構(gòu)也較為復(fù)雜,這樣電子設(shè)備結(jié)構(gòu)內(nèi)部的熱傳遞方式則不可能是一種,許多時(shí)候是三種方式同時(shí)存在,而且相互影響。所以對(duì)于散熱方式的選擇需要根據(jù)電子元器件的參數(shù)和使用環(huán)境來確定。對(duì)于潮濕環(huán)境下使用的電子元器件,則需要在散熱時(shí)采用密閉設(shè)計(jì)。而對(duì)于不需要密閉設(shè)計(jì)的電子設(shè)備,則其散熱方式選擇自然散熱,而對(duì)于發(fā)熱量較大的設(shè)備,則需要安裝一定的加快散熱的設(shè)備或是利用強(qiáng)制風(fēng)冷來進(jìn)行散熱。
2.3 元器件布局
元器件作為電子設(shè)備的重要組成部分,其在設(shè)備內(nèi)部的布局直接影響了電子設(shè)備的散熱效果。這就需要在熱設(shè)計(jì)時(shí)對(duì)設(shè)備的各熱源發(fā)熱情況、元器件的參數(shù)等進(jìn)行充分的掌握,從而對(duì)設(shè)備的內(nèi)部溫度區(qū)進(jìn)行合理的設(shè)計(jì)。而在設(shè)計(jì)時(shí)對(duì)于元器件布局所采取的基本原則如下:首先時(shí)將發(fā)熱量較大的元器件放置在腔體上部或是靠近出風(fēng)口處,而散熱性能較差的機(jī)箱下部及進(jìn)風(fēng)口處則放置不發(fā)熱及發(fā)熱量小的元器件;其次,需要將發(fā)熱量大的元器件進(jìn)行分散布置,以達(dá)到溫度的均勻性,同時(shí)一些熱敏元器件要遠(yuǎn)離發(fā)熱量較大的器件,或是利用隔熱材料進(jìn)行隔離。
2.4 結(jié)構(gòu)材料的選擇
電子設(shè)備結(jié)構(gòu)的材料需要選擇導(dǎo)熱系數(shù)較高的材料。
2.5 導(dǎo)熱接觸面要求
在確保導(dǎo)熱接觸面在盡量大,而且在保證導(dǎo)熱接觸面處于平整的狀態(tài)下,而且為了確保接觸面緊密接觸,則需要采用涂導(dǎo)熱酯和墊導(dǎo)熱墊,從而避免接觸電阻的產(chǎn)生。
3.熱設(shè)計(jì)主要技術(shù)
3.1 空氣自然對(duì)流冷卻技術(shù)
這種技術(shù)是利用設(shè)備中各個(gè)元器件的空隙以及機(jī)殼的熱傳導(dǎo)、自然對(duì)流和輻射來達(dá)到冷卻目的,是一種安全、可靠和不需外加動(dòng)力的冷卻方式,一般應(yīng)優(yōu)先考慮。但當(dāng)電子設(shè)備的熱流密度超過0.08W/cm2時(shí),這種冷卻方法就已經(jīng)不能夠解決它的冷卻問題了。
3.2 空氣強(qiáng)迫對(duì)流冷卻
此種技術(shù)不僅設(shè)計(jì)較為簡(jiǎn)單,而且在使用上具有較大的便利性,經(jīng)濟(jì)性較好,所以其應(yīng)用較為廣泛。但此種技術(shù)由于空氣比熱容小,而對(duì)噪音限制的開發(fā)部下風(fēng)速還不能太大,所以空氣冷卻能力通常情況下都不會(huì)超過1.0W/cm2。但由于強(qiáng)迫風(fēng)冷的優(yōu)點(diǎn)較多,所以為了提高冷卻能力,對(duì)這種技術(shù)的研究一直沒有間斷過,力求有所突破,從而更好的提高該技術(shù)的冷卻能力。
3.3 中、高功率密度的電子設(shè)備常用強(qiáng)迫氣體或強(qiáng)迫液體冷卻方法
利用強(qiáng)迫氣體和強(qiáng)迫液體來控制熱點(diǎn)溫度,其中最常用的冷卻裝置就是冷板。它屬于一種單相流間接冷卻技術(shù),可靠性較高,結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊,表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)高,溫度梯度較小,熱分布均勻,可帶走較大的集中熱負(fù)荷。
3.4 液體冷卻
因?yàn)楦咝Ьo湊,在大熱流度芯片冷卻上得到了廣泛的應(yīng)用,從而成為各國(guó)研究的熱點(diǎn)。液體冷卻可以是單相的,也可以是兩相的,氣液相變的冷卻由于利用了冷卻劑的相變潛熱,所以冷卻效果更好。主要包括直接冷卻或間接冷卻;氣液相變冷卻;液體射流沖擊冷卻;滴液及噴淋冷卻等。
3.5 相變冷卻技術(shù)
此種技術(shù)是利用相變材料的相變過程來實(shí)現(xiàn)降溫的,其不僅具有較高的換熱效率,而且溫度分布較為均勻,具有非常好的可靠性。近年來,隨著研究的深入進(jìn)行,相變冷卻技術(shù)的冷卻效果非常明顯。
3.6 熱電制冷
它的優(yōu)點(diǎn)是無噪聲和震動(dòng),體積小,結(jié)構(gòu)緊湊,操作維護(hù)方便,不需要制冷劑,制冷量和制冷速度可通過改變電流大小來調(diào)節(jié)。它在恒溫和功率密度大的系統(tǒng)中得到了廣泛應(yīng)用,同時(shí)還可以用來冷卻低溫超導(dǎo)電子器件。克服熱電制冷器冷量小和制冷系數(shù)低的不足,提高制冷器能效比及其經(jīng)濟(jì)性,是熱電制冷設(shè)計(jì)和使用的關(guān)鍵。
3.7 隨著熱管技術(shù)的持續(xù)發(fā)展及應(yīng)用,熱管散熱已經(jīng)成為一種很有前途的新型散熱方式
典型的毛細(xì)熱管在工作時(shí),液體工質(zhì)在蒸發(fā)段被熱流加熱蒸發(fā),其蒸汽經(jīng)過絕熱段流向冷凝段。在冷凝段蒸汽被管外冷流體冷卻放出潛熱,凝結(jié)為液體;積聚在冷凝段吸液芯中的凝結(jié)液借助吸液芯的毛細(xì)力的作用返回到蒸發(fā)段再吸熱蒸發(fā),一直如此往復(fù)循環(huán)。熱管傳熱能力高,均溫性好,具有可變換熱流密度的能力,具有良好的恒穩(wěn)特性,而且可以制造成體積很小,重量很輕的產(chǎn)品。
3.8 微通道技術(shù)
在定向硅片上或者在基板上利用各向異性蝕刻等技術(shù)制造出微尺度通道,液體在流過微通道時(shí)通過蒸發(fā)或者直接將熱量帶走。它是利用微尺度換熱的特殊性來達(dá)到高效冷卻的目的,是各國(guó)研究的熱點(diǎn)。研究表明,液體在微通道內(nèi)被加熱會(huì)迅速發(fā)展為核態(tài)沸騰,此時(shí)液體處于一個(gè)高度不平衡狀態(tài),具有很大的換熱能力,通道壁面過熱度也比常規(guī)尺寸下的情況要小的多。而且實(shí)驗(yàn)證明冷卻液體即使是單相流經(jīng)微通道,其冷卻效果也比常規(guī)尺寸下利用液體核態(tài)沸騰來冷卻時(shí)要好的多。
4.結(jié)束語
我國(guó)頒布了關(guān)于電子設(shè)備熱設(shè)計(jì)的統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn),這就使熱設(shè)計(jì)在設(shè)計(jì)時(shí)有了基本的依據(jù),近年來,對(duì)于熱設(shè)計(jì)技術(shù)的相關(guān)研究不斷的進(jìn)行,使熱技術(shù)不斷的發(fā)展和完善,對(duì)提高電子設(shè)備的可靠性起到極其重要的作用。雖然一些導(dǎo)熱系數(shù)較高的材料不斷的研制,這些材料一旦能夠達(dá)到普及,那么將會(huì)極大的提高當(dāng)前電子設(shè)備的散熱技術(shù)。
參考文獻(xiàn)
[1]張瑜.電子設(shè)備熱設(shè)計(jì)與分析[J].航空兵器,2011(2).
[3]張斌.電子設(shè)備的熱設(shè)計(jì)研究[J].裝備制造技術(shù),2012(1).
[7]郝云剛,劉玲.電子設(shè)備的熱設(shè)計(jì)[J].兵工自動(dòng)化,2010(2).