评估散热器的性能3个常见错误

导读：如果对影响散热器性能的基本因素不理解，那么选择的散热器可能不足以满足冷却设备的散热要求。这将导致设计和测试任务的循环迭代，最终耽误产品的开发进程。一般在评估散热器的性能时，有以下3个常见错误 。

一、用产品制造商提供的热阻来评估散热器性能

散热器的热阻是用来评估特定应用中散热器性能的最常用方法。如公式1所示，通过将散热片的热阻Rth乘以被冷却装置的耗散功率Q，再加上环境温度Tamb，可以确定装置的外壳温度Tc 。选择散热器的典型方法是首先使用公式1计算所需的散热器热阻，然后选择热阻小于或等于计算值的散热器。

（1）

散热器制造商提供的热阻一般是通过一个方形热源的散热器测得的，通常是将一个具尺寸为25.4 mm x 25.4 mm的方形热源（固定热耗）连接到散热器基板底面中心，然后测量温差，通过公式1就能计算散热器的热阻。

如果使用该方法测量的热阻值来选择散热器，经常会出现选择的散热器不符合散热需求的情况，这是因为散热器的热阻不是一个常数。同一散热器的热阻将随着热源相对于散热器基准面的大小而变化。

如果您使用的热源明显小于制造商在测试实际散热器时使用的热源，则热阻值可能远远高于制造商的测试值。这是由于热量从热源区域流向散热器顶部表面时，由热扩散阻力导致的。

相对于散热器的基板面积而言，热源面积越小，散热器的热扩散阻力越大，散热器的总热阻就越大。在强制对流冷却的情况下，对流扩散阻力对散热器的影响最为显著。

图1  散热器几何模型示意图

图2为在强制对流冷却情况下，热源的尺寸与散热器热阻的关系曲线。散热器的外形尺寸如图1所示。散热器的长度为76.2毫米，热源的长度和宽度相同，并由Ls决定。流量为5 CFM，热源散发的热量为59 W，环境温度为30℃。 

图2  热源尺寸对散热器热阻的影响

散热器制造商提供的散热器的热阻值通常是针对长度为76.2毫米的散热器。需要注意的是，当散热器轮廓相同时，散热器的热阻不随长度（即散热器的深度）而线性增加。随着长度的增加，由于热源面积与散热器底部面积的比值减小，扩散阻力也会随之增加。这样部分表面积增加带来的传热收益被扩散阻力的增加所抵消。此外，随着散热器长度的增加，对流过程中散热器的传热效率也会降低。

二、仅仅根据表面积来选择散热器

在确定散热器所需的表面积时，很多文章中通常会给出单位面积的散热值。这将让许多人以为简单地增加散热器的表面积就可以改善散热器的性能，而事实并非如此。散热器的性能不仅取决于表面积，还取决于散热器的所有相关尺寸，其中最关键的是散热翅片之间的间距。

散热片之间的间距对散热片表面的散热速度有很大影响，这通常被称为传热系数h。表面积A和散热率h，决定了散热器的表面温度Ts，如公式2所示：   

 （2）

式中：Q是散热器的总散热量;

随着翅片之间的间距在某一点减小，传热会随之恶化，这主要是由于热边界层厚度的增加。热边界层通常被描述为：散热器翅片表面附近的空气温度高于环境温度的区域。当空气进入翅片之间的空间并沿翅片长度方向生长时，热边界层最薄。翅片之间的间隔越近，热边界层与相邻翅片合并的越快。这将产生了较高温度的空气区域，从而降低了从散热器表面到翅片之间空气的热传递速率。为了获得最低的散热器温度和被冷却源的最低温度，必须在散热片的间隔和散热器的表面积之间取得平衡。

图3  散热片间距和长度对散热效率的影响

热边界层的厚度也与传热率成比例，较短的散热器将比相同翅片间距和表面积的其他散热器具有更好的散热性能。

为了证明最佳翅片间距的重要性，我们来对比一下散热器热阻的变化与散热片的翅片数量之间的关系，如图1所示。散热器的底座垂直放置，散热器通过自然对流散热，在此算例中忽略辐射换热。热源的长度和宽度均为25.4mm，热源散发的热量为20W。图4显示了在自然对流工况下，翅片间距对散热器性能的影响。应当注意的是，当散热器翅片个数为8个、表面积为0.045m^2时，散热器的热阻最低，而当散热器翅片个数15个、表面积为0.084m^2时，散热器的热阻反而更高。

图4  散热器热阻随散热器翅片数量的变化

三、使用最大风扇流量来估算散热器性能

冷却风扇制造商通常会在列出风扇性能时说明最大风扇流量，对于那些不熟悉风扇的人来说，这很容易产生误导。

如图5中所示，风扇的流速与风扇的压降成反比。当风扇的压降为零时，流速最大，而这仅仅是在风扇前方或后方没有障碍物时，允许空气自由流入和流出风扇时才会发生。一旦有障碍物放置在风扇前面，诸如散热器等等，风扇上就会有一些正压降，障碍物对来流空气阻挡越大，压降越大。图5显示了电子冷却中风机的PQ压力流量曲线图。通过风扇的压降越大，风扇提供的流量就越低。

 

 

图5  风扇、散热器P-Q曲线及风机工作点

散热器翅片的密度越大，空气的流动阻力就越大，从而导致风扇上的压降更高并且风扇提供的空气流量更低。风扇压力流量曲线与散热器压力流量曲线的交点，就是风机的工作点，如图5所示。

要使得在某一风量下具有最大的散热量，必须选择合理的风扇和散热器尺寸，绝不可以使用风机的最大流量来评估散热性能。

编辑？：黄飞