電(diàn)子散热(rè)設計(jì)的(de)原理(lǐ)解(jiě)析

　　傳热(rè)現(xiàn)象(xiàng)在(zài)自(zì)然界普遍(biàn)存在(zài)，有(yǒu)温(wēn)差的(de)地(dì)方(fāng)就(jiù)会(huì)有(yǒu)热(rè)量(liàng)傳遞發(fà)生(shēng)。具體(tǐ)到(dào)在(zài)工程技術(shù)領域中(zhōng)，掌握傳热(rè)體(tǐ)系(xì)內(nèi)的(de)傳热(rè)量(liàng)和(hé)温(wēn)度(dù)分(fēn)布(bù)最(zuì)具有(yǒu)實(shí)際意(yì)義。一(yī)般来(lái)说(shuō)，对(duì)于(yú)無內(nèi)热(rè)源的(de)穩定(dìng)傳热(rè)过(guò)程，傳热(rè)量(liàng)(Q或(huò)q)和(hé)傳热(rè)温(wēn)差⊿t的(de)關(guān)系(xì)可(kě)表(biǎo)示为(wèi)下(xià)列一(yī)般形式：

　　Q=qF=⊿t/ R W

　　或(huò) q=Q/F=⊿t/r W/m2

　　式中(zhōng)Q亦稱热(rè)流量(liàng)。q亦稱热(rè)流率或(huò)热(rè)流密度(dù)，⊿t[℃]亦稱傳热(rè)推動(dòng)力，F[m2]为(wèi)傳热(rè)面(miàn)積，R[℃/W]为(wèi)热(rè)阻，r =RF[m2. ℃/W]稱單位(wèi)面(miàn)積热(rè)阻.

　　傳热(rè)的(de)基本(běn)方(fāng)式有(yǒu)傳導、輻射和(hé)对(duì)流三(sān)種(zhǒng)，但實(shí)際換热(rè)过(guò)程往往是(shì)以(yǐ)一(yī)種(zhǒng)形式为(wèi)主(zhǔ)的(de)複合換热(rè)方(fāng)式。

　　热(rè) 傳 導

　　同(tóng)一(yī)物(wù)體(tǐ)內(nèi)部(bù)或(huò)互相接觸的(de)物(wù)體(tǐ)之(zhī)間(jiān)，當温(wēn)度(dù) 不(bù)同(tóng)但沒(méi)有(yǒu)相对(duì)的(de)宏观位(wèi)移时(shí)的(de)傳热(rè)方(fāng)式叫热(rè)傳導 或(huò)導热(rè)。微观来(lái)看(kàn)，气(qì)體(tǐ)導热(rè)基于(yú)分(fēn)子或(huò)原子的(de)彼(bǐ) 此(cǐ)碰撞;液體(tǐ)和(hé)非(fēi)導電(diàn)固體(tǐ)導热(rè)的(de)機(jī)理(lǐ)是(shì)分(fēn)子或(huò)原 子振動(dòng)産生(shēng)的(de)彈性(xìng)波(bō)作(zuò)用;而(ér)金(jīn)屬導热(rè)則主(zhǔ)要(yào)靠自(zì) 由電(diàn)子的(de)擴散傳播能(néng)量(liàng)。

　　热(rè) 輻 射

　　物(wù)體(tǐ)通(tòng)过(guò)電(diàn)磁波(bō)傳播能(néng)量(liàng)的(de)过(guò)程叫輻射，热(rè)輻射則專指波(bō)长为(wèi)0.1~100μm的(de)热(rè)射線(xiàn)在(zài)空間(jiān)傳播能(néng)量(liàng)的(de)現(xiàn)象(xiàng)。任何物(wù)體(tǐ)均能(néng)不(bù)斷地(dì)向外(wài)界發(fà)射輻射能(néng)同(tóng)时(shí)也(yě)接受来(lái)自(zì)周圍物(wù)體(tǐ)的(de)輻射能(néng)。物(wù)體(tǐ)把(bǎ)热(rè)能(néng)以(yǐ)電(diàn)磁波(bō)形式發(fà)射出(chū)去(qù),接受这(zhè)種(zhǒng)電(diàn)磁波(bō)的(de)物(wù)體(tǐ)又将其(qí)轉(zhuǎn)變(biàn)为(wèi)热(rè)能(néng)，两(liǎng)物(wù)體(tǐ)間(jiān)的(de)輻射換热(rè)为(wèi)相互輻射热(rè)量(liàng)的(de)差額。热(rè)輻射不(bù)需要(yào)媒介質(zhì)並(bìng)伴随着能(néng)量(liàng)形式的(de)轉(zhuǎn)化是(shì)輻射換热(rè)的(de)特(tè)點(diǎn)。輻射能(néng)可(kě)以(yǐ)在(zài)真(zhēn)空中(zhōng)、少(shǎo)数透明(míng)固體(tǐ)和(hé)气(qì)體(tǐ)中(zhōng)傳播，在(zài)大(dà)多(duō)数固、液體(tǐ)中(zhōng)無法傳播，而(ér)在(zài)其(qí)表(biǎo)面(miàn)被(bèi)吸收(shōu)或(huò)反射;热(rè)射線(xiàn)通(tòng)过(guò)含有(yǒu)多(duō)原子 气(qì)體(tǐ)的(de)气(qì)层(céng)时(shí)，可(kě)在(zài)透过(guò)气(qì)层(céng)厚 度(dù)时(shí)被(bèi)逐步吸收(shōu)。

　　利用热(rè)輻射最(zuì)典型的(de)例子莫过(guò)于(yú)微波(bō)爐的(de)發(fà)热(rè)原理(lǐ)。我(wǒ)们(men)現(xiàn)在(zài)的(de)散热(rè)器，其(qí)實(shí)都有(yǒu)热(rè)輻射發(fà)生(shēng)。散热(rè)器在(zài)吸收(shōu)了热(rè)量(liàng)后，都会(huì)自(zì)動(dòng)的(de)往周圍空气(qì)中(zhōng)輻射热(rè)，如(rú)果(guǒ)沒(méi)有(yǒu)对(duì)流空气(qì)的(de)热(rè)交換，这(zhè)種(zhǒng)輻射現(xiàn)象(xiàng)比較缓慢(màn)。

　　热(rè) 对(duì) 流

　　由于(yú)流體(tǐ)各(gè)部(bù)分(fēn)宏观位(wèi)移引起(qǐ)的(de)热(rè)量(liàng)轉(zhuǎn)移現(xiàn)象(xiàng)稱为(wèi)热(rè)对(duì)流。 流體(tǐ)內(nèi)部(bù)存在(zài)温(wēn)度(dù)差從而(ér)存在(zài)密度(dù)差，在(zài)體(tǐ)積力(浮升(shēng)力等)作(zuò)用下(xià)所(suǒ)産生(shēng)的(de)热(rè)对(duì)流稱自(zì)然对(duì)流，而(ér)借(jiè)助于(yú)機(jī)械外(wài)力(泵或(huò)風(fēng)機(jī)等)推動(dòng)的(de)热(rè)对(duì)流稱強(qiáng)制对(duì)流，當流體(tǐ)內(nèi)部(bù)温(wēn)度(dù)分(fēn)布(bù)不(bù)均勻时(shí)必然要(yào)發(fà)生(shēng)導热(rè)，因(yīn)此(cǐ)，热(rè)对(duì)流總(zǒng)是(shì)伴随着流 體(tǐ)的(de)導热(rè)。

　　流體(tǐ)流过(guò)温(wēn)度(dù)不(bù)同(tóng)的(de)固體(tǐ)壁(bì)面(miàn)时(shí)的(de)傳热(rè)过(guò)程稱对(duì)流換热(rè)，对(duì)流換热(rè)在(zài)工程上(shàng)(如(rú)換热(rè)器中(zhōng))最(zuì)具實(shí)際意(yì)義。邊(biān)界层(céng)理(lǐ)論和(hé)實(shí)踐證明(míng)，由于(yú)流體(tǐ)的(de)粘性(xìng)作(zuò)用，在(zài)壁(bì)面(miàn)處(chù)存在(zài)一(yī)个(gè)具有(yǒu)速度(dù)梯(tī)度(dù)的(de)速度(dù)邊(biān)界层(céng)(图(tú)4-4)，同(tóng)时(shí)存在(zài)一(yī)个(gè)具有(yǒu)温(wēn)度(dù)梯(tī)度(dù)的(de)热(rè)邊(biān)界层(céng)，即使是(shì)湍流，總(zǒng)還(huán)是(shì)存在(zài)一(yī)个(gè)緊貼壁(bì)面(miàn)的(de)层(céng)流底层(céng)。层(céng)流底层(céng)內(nèi)垂直(zhí)于(yú)壁(bì)面(miàn)方(fāng)向的(de)傳热(rè)只(zhī)能(néng)靠導热(rè)，而(ér)层(céng)流底层(céng)以(yǐ)外(wài)則主(zhǔ)要(yào)靠热(rè)对(duì)流，因(yīn)此(cǐ)，对(duì)流換热(rè)是(shì)集導热(rè)和(hé)热(rè)对(duì)流于(yú)一(yī)體(tǐ)的(de)綜合現(xiàn)象(xiàng)。对(duì)于(yú)流速不(bù)高(gāo)的(de)高(gāo)温(wēn)多(duō)原子气(qì)體(tǐ)，輻射換热(rè)占相當比重(zhòng)，不(bù)能(néng)随便忽略。

　　影響热(rè)对(duì)流的(de)因(yīn)素

　　一(yī)般地(dì)，工程上(shàng)广为(wèi)應(yìng)用的(de)換热(rè)和(hé)散热(rè)設備，其(qí)器壁(bì)一(yī)側或(huò)两(liǎng)側與(yǔ)不(bù)同(tóng)温(wēn)度(dù)的(de)流體(tǐ)相接觸，傳热(rè)过(guò)程主(zhǔ)要(yào)依靠对(duì)流換热(rè)，因(yīn)此(cǐ)掌握对(duì)流換热(rè)的(de)機(jī)理(lǐ)和(hé)影響因(yīn)素，对(duì)于(yú)換热(rè)設備的(de)設計(jì)、計(jì)算、強(qiáng)化和(hé)改進(jìn)是(shì)十(shí)分(fēn)重(zhòng)要(yào)的(de)。对(duì)流換热(rè)受流體(tǐ)導热(rè)和(hé)热(rè)对(duì)流的(de)綜合作(zuò)用，同(tóng)时(shí)受到(dào)流體(tǐ)導热(rè)和(hé)对(duì)流規律的(de)支配。由于(yú)流體(tǐ)的(de)粘性(xìng)作(zuò)用，貼壁(bì)流體(tǐ)流速为(wèi)零(líng)，壁(bì)面(miàn)和(hé)流體(tǐ)間(jiān)的(de)傳热(rè)只(zhī)能(néng)靠導热(rè)。

　　流體(tǐ)運動(dòng)産生(shēng)的(de)原因(yīn)

　　自(zì)然对(duì)流和(hé)強(qiáng)制对(duì)流由于(yú)起(qǐ)因(yīn)不(bù)同(tóng)因(yīn)而(ér)具有(yǒu)不(bù)同(tóng)的(de)流動(dòng)和(hé)換热(rè)規律。 強(qiáng)制对(duì)流速度(dù)決定(dìng)于(yú)外(wài)力所(suǒ)産生(shēng)的(de)压差、流道(dào)阻力和(hé)流體(tǐ)性(xìng)質(zhì)等，因(yīn)而(ér)換热(rè)強(qiáng)度(dù)與(yǔ)決定(dìng)流動(dòng)狀态的(de)雷(léi)諾(O.Reynolds)数Re和(hé)無因(yīn)次(cì)物(wù)性(xìng)準数普朗特(tè)(L.Prandtl)数Pr密切(qiè)相關(guān)，如(rú)CPU Cooler、VGA Cooler等散热(rè)産品，都是(shì)利用風(fēng)機(jī)的(de)動(dòng)力来(lái)加強(qiáng)産品與(yǔ)周圍空气(qì)的(de)換热(rè)效率的(de)，參看(kàn)産品图(tú)片(piàn)(图(tú)5-1);自(zì)然对(duì)流速度(dù)除與(yǔ)物(wù)性(xìng)有(yǒu)關(guān)外(wài)，與(yǔ)温(wēn)差、空間(jiān)大(dà)小、热(rè)面(miàn)方(fāng)位(wèi)以(yǐ)及(jí)産生(shēng)體(tǐ)積力的(de)外(wài)力场(chǎng)有(yǒu)极大(dà)關(guān)系(xì)，因(yīn)而(ér)換热(rè)強(qiáng)度(dù)與(yǔ)Pr及(jí)代(dài)表(biǎo)浮升(shēng)力的(de)葛拉晓夫(F.Grashof)数Gr有(yǒu)關(guān)，如(rú)Heatsink、Thermal Module等散热(rè)産品，都是(shì)利用産品自(zì)身(shēn)與(yǔ)周圍空气(qì)的(de)自(zì)然对(duì)流来(lái)达(dá)到(dào)散热(rè)效果(guǒ)的(de)。