几种常见电子产品的散热器优化设计思路
1、热传导——优化散热器扩散热阻
表6-1 常见机加工材料在常温下的导热系数
图为 均温板的效果仿真示意图：无均温板（左）底部镶嵌均温板（右）
2、对流换热——强化对流换热效率
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。一个常规的现象足以说明翅片密度和风阻之间的关系这一点：强迫风冷的产品中散热器翅片密度通常比自然散热产品中散热器翅片密度大。
强迫风冷服务器中的细密齿散热器（左）
自然散热产品中的稀疏齿散热器（右）
我们看到，牛顿冷却定律中，换热面积和对流换热系数是一个乘积的关系，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。由于仿真软件的广泛使用，在打样测试前，为节省成本，提高效率，通常会进行仿真预测最优的散热器设计方案。寻找散热面积和对流换热系数的综合最优点是热设计工程师的重要工作内容。
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。
图6-9 一些通过扰动空气流动提高换热效率的散热器设计
在系统级的产品中，散热器设计、风扇选型和风道设计三者之间的组合优化是相当复杂的。当存在多个发热点、多个散热器、多颗风扇时，需要各部件之间相互配合，做到有效利用系统风量，弱化彼此热点间的级联效应，从而达到最优的设计组合。
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，红外线是主要的热辐射波长。辐射换热强度与产品的红外辐射率成正比。对于暴露在阳光下的户外产品，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。关于原因，可以参考第二章辐射换热的部分。
注：表面的红外发射率与其表面温度有关，列示的值仅供参考。
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：
室内产品：结合散热器的工作温度，提高表面红外辐射率；
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。
图6-10 室内产品表面发黑处理，强化红外辐射（a）
室外产品表面喷涂浅色涂料，降低可见光吸收率（b）（c）
4、总结
（END）
参考文献
[1] YounesShabany, 夏班尼, 余小玲,等. 传热学:电力电子器件热管理[M]. 机械工业出版社, 2013.
