平面为0.56,圆筒面为0.55,差异只有2%左右,由此可见,平面与圆筒面的传热系数差异不大。
这就意味着当发热板倾斜时,下外表的传热能力会越来越差,而上外表的传热能力根本不变。
发生倾斜后,下外表只受到沿倾斜面的向量成分的浮力。
也就是说,下外表的浮力变弱。
假设垂直时的传热系数为hv,倾斜时的传热系数为hθ,物体沿垂直方向倾斜角度θ,此时,下外表的传热系数大致为:
hθ=hv·〔cosθ〕0.25…〔4〕
〔θ在0~60度左右的X围内时公式成立〕
如果倾斜45度,传热系数将缩小8%左右。
由此可知,即使倾斜发热板,传热系数也没有太大变化。
但一旦接近水平,传热系数就会急剧降低。
通过上面的介绍,大家应该已经明白,提高自然对流传热系数其实难度颇大。
但物体越小,对流传热系数越大。
比方说,我们可以采用把散热器翅片分割成几个局部的方法。
在翅片截断的地方,热边界层将重置,起到阻止边界层变厚的作用,借此可以提高对流传热系数。
但这样做会减少翅片的外表积,总的散热能力依然变化不大。
强制对流传热系数的简易计算公式
接下来看看强制对流的传热系数。
安装风扇的强制对流的公式如下。
热流量=强制对流传热系数×物体外表积×〔外表温度-流体温度〕…〔5〕
强制对流传热系数的计算也有很多种公式〔图5〕。
图5:
强制对流热传导的简易计算公式
强制对流时,计算热流量使用与强制对流对应的传热系数。
根据流体的流动是在层流区域还是在湍流区域,计算使用的传热系数均不同。
强制对流时,一旦提高风速,状态也会在途中随之改变。
比方说,即便是在没有风的房间里,香烟的烟雾也是一开场径直向上,在途中四处飘散。
径直向上的地方是层流,飘散的地方是湍流。
在层流区,香烟烟雾中颗粒物是单向流动。
而在湍流区,颗粒物会到处乱飞,随着时间的推移,烟雾的形状将发生改变。
湍流是非定常流,流向会随时间改变。
印刷电路板周边的空气也一样,最初为层流,中途转变为湍流。
从散热的角度来看,湍流更有利于散热。
因为在湍流中,热空气与冷空气将相互混合,冷空气会得到靠近壁面的时机,更加容易传热。
也就是说,湍流化能够降低温度。
尤其是对于低流速和水冷式,湍流化十分有效。
但湍流化也会导致流体阻力增大,这回增加风扇和水泵的负荷。
强制形成湍流化的起始点时,可以采用在流体的通道中设置突起物〔湍流促进器〕的方式。
在强制空冷的散热器中,可以看到这种设置突起的例子〔注4〕。
〔注4〕自然对流也存在湍流,但在电子产品的热设计中,可以认为根本不存在自然湍流化。
但温度到达500~600℃的高温后,因为浮力增强,所以也会出现湍流化。
遏制流动的力与促进流动的力,二者的平衡决定着湍流的起始点。
遏制流动的力是粘性力,在壁面附近的作用较强,而促进流动的力那么是惯性力或浮力。
粘性力强,那么流动受到遏制。
因为气流之间会相互约束。
例如,在细缝和靠近壁面的地方,粘性力较强。
同样,翅片与翅片之间的距离越窄,粘性力越强,也就很难发生湍流化。
而惯性力由速度产生,只要提高速度,惯性力就会随之增大。
仍以香烟的烟雾为例,在烟雾开场流动时,热源上部的空气缓慢上升,发生流动的区域也十分狭窄。
但随着流动的进展,周围的静止流体也被带动,流动的区域不断扩大。
因此,粘性力会降低。
而在浮力的加速作用下,空气的流速不断加快。
因而产生了湍流化。
根据层流和湍流的不同,强制对流的传热系数公式存在相当大的差异。
首先是层流的公式。
层流平均传热系数hm=3.86√〔V/L〕…〔6〕
其中参加了空气的特性值,3.86与自然对流公式〔3〕中的2.51含义一样。
湍流相关公式是实验性公式,系数和指数都有变化。
湍流平均传热系数hm=6×〔V/L0.25〕0.8…〔7〕
要想简单进展判断的话,不妨把两个系数都计算出来,选择传热系数大的一方。
下面,让我们使用上面介绍的知识,定量研究对流的散热能力。
【练习1】平板的放置方式与散热能力
假设有一块长200mm、宽100mm〔忽略厚度〕,温度保持在40℃的平板〔图6〕,平板的温度均匀,而且没有热辐射,以下放置方式的散热能力有多大差异?
图6:
【练习1】平板的放置方式与散热能力
思考纵长200mm×横宽100mm〔无视厚度〕的平板的升温保持在40K〔℃〕时,图中3种模式的散热能力。
假设平板的温度均匀,且没有热辐射。
〔a〕垂直放置〔以100mm的短边为高〕
〔b〕垂直放置〔以200mm的长边为高〕
〔c〕水平放置
需要求的数值是热流量,相当于散热量,这就必须首先求出传热系数,需要使用公式〔3〕。
〔a〕和〔b〕是垂直放置,C值使用平板垂直放置时的数值。
因为升温固定在40K〔℃〕,所以⊿T为40〔注5〕。
至此,所有数值已经齐备,可以计算出传热系数。
〔注5〕温度必须要屡次计算,比拟麻烦。
如果不知道温度,就求不出传热系数,因此,最初先假设温度为30℃,计算出h。
把结果代入公式进展计算,得到的温度一般不等于30℃,此时要使用得出的数值重新计算。
经过反复计算,逐渐逼近正确数值。
〔a〕以100mm的短边为高的垂直平板
传热系数h
=2.51×0.56×〔40/0.1〕0.25
=6.29W/m2K
外表积S=0.1×0.2×2=0.04m2
散热量W=0.04×6.29×40=10.1W
〔b〕以200mm的长边为高的垂直平板
传热系数h=
2.51×0.56×〔40/0.2〕0.25
=5.29W/m2K
外表积S=0.1×0.2×2=0.04m2
散热量W=0.04×5.29×40=8.5W
由上述计算可知,〔b〕的散热量比〔a〕低15%左右。
但计算的条件是平板的温度完全均匀,也就是导热系数无限大,如果是印刷电路板,散热量上的差异还会更大。
倘假设导热能力差,平板上侧与下侧之间将会出现温差。
纵向放置的话,上侧与下侧的温差会更大,最高温度将出现相当大的差异。
水平放置时,平板上侧与下侧的传热系数不同,计算比拟复杂。
上侧的C值为0.52,下侧为0.26,刚好是上侧的一半。
因此,下侧的散热量也是上侧的一半。
这种情况需要分别计算上侧和下侧的散热量,然后相加。
〔c〕水平放置平板
代表长度L=〔0.1×0.2×2〕/〔0.1+0.2〕=0.133m
上外表对流传热系数h
=2.51×0.52×〔40/0.133〕0.25
=5.43W/m2K
上外表外表积S=0.1×0.2=0.02m2
上外表散热量W=0.02×5.43×40=4.34W
下外表对流传热系数h
=2.51×0.26×〔40/0.133〕0.25
=2.72W/m2K
下外表外表积S=0.1×0.2=0.02m2
下外表散热量W=0.02×2.72×40=2.17W
总散热量W=4.34+2.17=6.51W
这采用的是热计算中经常使用的计算每个面的发热量,然后相加的方法。
【练习2】大空间发生热对流,小空间发生热传导
接下来看一下在200mm×200mm×20mm的平整机壳中安装180mm×180mm×1mm的电路板〔发热功率5W〕的情况〔图7〕。
图7:
【练习2】空间大为热对流,空间小为热传导
思考在尺寸为200mm×200mm×20mm的机壳内安装180mm×180mm×1mm的印刷电路板〔发热功率为5W〕时,图中3种情况下的散热能力。
假设没有热辐射。
大家可以将其看成是加热器。
关于电路板的安装位置,下面哪种是正确的?
另外,这里假设热辐射可以忽略。
〔a〕电路板设置在上部〔距离机壳顶面1mm〕时温度最低
〔b〕电路板设置在中部〔距离机壳顶面7.5mm〕时温度最低
〔c〕电路板设置在下部〔距离机壳顶面15mm〕时温度最低
这个题目中有一点要注意,那就是空间狭窄、空气无法流动时,发生的是热传导,空间够大时发生的是热对流。
划分的界限值随状态和发热量而变,大致为几毫米。
如果小于该界限值,空气将无法流动,大于该界限值空气就可以流动。
定性地来说,只要距离足够,空气就能循环,从而带走热能,使部件释放的热传到机壳顶面并发散出去,由此起到降温的作用。
上面提到,当距离很小时发生的是热传导。
热传导的热阻等于空气层的厚度/〔传热面积×空气的导热系数〕,因此〔a〕的情况下,
热阻〔1mm〕=0.001/〔0.18×0.18×0.03〕=1.03K/W;
〔b〕的情况下,
热阻〔7.5㎜〕=0.0075/〔0.18×0.18×0.03〕=7.7K/W,
比〔a〕的热阻大很多。
而在〔c〕的情况下,距离到达15mm,可以认为能充分产生对流。
此时,对流的热阻增加到两个〔电路板外表→空气,空气→机壳顶面〕。
按照传热系数为10W/m2K计算,
电路板到空气的对流热阻
=1/〔电路板外表积×自然对流传热系数〔水平〕〕
空气到机壳的对流热阻
=1/〔机壳外表积×自然对流传热系数〔水平〕〕
热阻〔15mm〕
=1/〔0.18×0.18×10〕+1/〔0.2×0.2×10〕
=5.6K/W
由此可知,〔a〕的情况下热阻最小、温度最低。
估计〔b〕的温度最高,原因是根本没有发生流动。
传热系数单靠手工计算很难得到准确结果,因此,笔者试着利用热流体解析模拟进展精细计算,得到了这三种情况下电路板的温度。
结果为,当环境温度为35℃时,
〔a〕距离1mm时,电路板温度为56℃
〔b〕距离7.5mm时,电路板温度为72.5℃
〔c〕距离15mm时,电路板温度为59.6℃
这就意味着必须要防止温度最高的〔b〕的情况。
5~7mm左右的距离难以产生对流,进展热传导时存在空气层过厚的问题,很难散热,是最好要避开的距离。
安装部件的时候很容易产生这么大的缝隙,在这种情况下,不妨直接让电路板与机壳接触,通过热传导散热。