电子设备的自然散热

三、电子设备的自然散热

利用热的传导、对流及辐射把电子设备中的热量散发到周围的环境中去称为散热。电子设备常用的散热方式有:自然散热、强迫风冷、液体冷却、蒸发冷却、半导体致冷、热管冷却等。在发热密度不高的电子设备中，如一般的电子仪器，自然散热应用得很多。我们主要讨论这种散热形式。自然散热就是通过合理的元器件布局及合理的开通风散热孔，合理的元器件、机壳表面状态，利用元器件和设备的机壳的传导、对流、辐射把热量散发到周围的环境中去，保证电子设备在允许的温度范围内正常工作。

表2－8　常用材料表面的黑度

自然散热有许多优点，在结构设计合理的情况下，可以做到以最小的代价把设备内部的热量排到设备外部去。不但可靠性高，而且非常经济，又无噪声，所以自然散热在电子设备中被广泛采用。

(一)电子设备自然散热的热流途径

从散热的角度来看，电子设备的外壳分为两种形式:封闭式及敞开式，其热流途径分述如下:

1．封闭式设备的散热途径

图2－20　封闭式设备的自然散热途径

封闭式设备的自然散热的热流途径如图2－20所示。输入电能的一部分使元器件发热，元器件的热量通过机内的对流、机内辐射及元器件的引线传导等向机壳传递;当热量到达设备的机壳后，机壳通过对流及辐射把热量传到周围空气中，达到散热的目的。因空气的导热系数很小，所以机壳通过空气向周围的传导可以忽略。此时机壳总的散热量应为机壳对流与机壳辐射之和。散热途径可以分为内部散热途径和外部散热途径。

2．敞开式设备的散热途径

敞开式设备的散热途径如图2－21所示。它与封闭式设备自然散热的区别是多了一条机内外直接对流的通道。这一条通道很重要，这一条通道可以带走很多的热量。所以如何设计好这条散热通道，就成了自然散热很重要的一个任务。

图2－21　敞开式设备的自然散热的热流途径

从图2－20及图2－21还可以看出，无论是封闭式设备还是敞开式设备，自然散热的热流途径都分为内部途径和外部途径，因此散热设计也应从这两个方面来考虑。

(二)电子设备内部元器件的散热

元器件的散热主要是解决内部散热途径的问题，让发热元器件表面的热量迅速有效地传到机壳或直接传到周围的环境中去。

1．电阻

电阻的温度与其基本型式、尺寸、功率损耗、安装位置以及环境温度等因素有关。电阻一般是通过固定连接片或引线二端的传导以及本身的辐射对流进行散热的，例如，在室温下，功率小于1/2W的碳膜电阻，通过传导散出去的热量为50%，对流散热为40%，辐射散热为10%。因此，①电阻安装时应尽量缩短两端的引线，以加强引线传导，有时还在电阻与印制板之间垫上导热垫片，以加强电阻表面向外的传导;②尽量使轴线垂直于气流，以增加气流与电阻的接触面;③电阻表面涂以无光泽的粗糙漆;④加大与其他元器件之间的距离。

2．电容

电容是一种容易受温度影响的元件，应远离其他高温元器件，并尽量降低其承压比(电容的实际工作电压与额定电压之比)。

3．变压器

铁芯的磁滞损耗和绕组的电阻是变压器的热源。传导散热是其主要途径，对无屏蔽罩的变压器，要求铁芯与支架、支架与底板间有良好接触，以降低接触热阻;对于有屏蔽罩的变压器，屏蔽罩的内表面应与变压器的铁芯良好接触，外表面应与支架或底板良好接触;为了提高对流散热效果，可将变压器垫高一定距离，并在底板上开通风孔，使气流形成对流，见图2－22。此外变压器外壳上涂以无光泽漆，以提高其辐射能力。

图2－22　垫高变压器

4．晶体管及集成电路

当晶体管功率小于100mW或集成电路的热流密度小于0．6W/cm²时，一般不加散热器，靠管壳、外壳及本身的引线的对流、辐射和传导散热，晶体管的功率大于100mW或集成电路的热流密度大于0．6W/cm²时，应安装散热器(详见后面的内容)。

5．元器件的布局

为了加强对流传热，在布置元件时，元件与元件之间应保持一定的距离，以利于空气的流动。图2－23是它们之间的最小距离。

图2－23　元器件之间的最小距离

在印制板上混合安装各种集成电路时，应注意将功率大的、发热量大的集成电路放在气流的上游(入口处)，将功率小的，发热量小的集成电路放在气流的下游(出口处)，这样可以使整个印制板的温度较均匀。

在布置元器件时，应将不耐热的元件(如电解电容)放在气流的上游，而将本身发热又耐热的元器件如电阻、变压器放在气流的下游。这样可提高设备的可靠性。

气流通路上不应有大面积的构件，以免阻挡了气流。若有大面积构件时，构件应做成空格状，让气流通过。有较多印制板时，应垂直安装。

(三)电子设备机壳的热设计

电子设备机壳的热设计是解决设备自然散热的外部途径的问题，机壳的散热应从如下几方面着手。

1．选择导热性能好的材料做机壳

因为发热元器件的热量只是传导到机壳的内表面，这个热量还要通过机壳本身的传导从内表面传到机壳的外表面，然后才由机壳的外表面通过对流和辐射传到周围空气中去，所以应选用导热性能好的材料，加强机壳内外表面的传导。导热性能好的材料即是导热系数高的材料，见表2－7。

2．选择合适的机壳表面状态，以增加热辐射的能力

为了提高机壳的热辐射能力，宜采用粗糙的表面，并涂以无光泽漆。其色彩可根据需要选择，因为各种色彩对热的辐射能力影响不大。

3．开通风散热孔，以加强对流散热

从对敞开式机壳的散热途径的分析可知，机内外直接对流的这一散热途径很重要。在机壳上合理地开通风孔，可以显著地加强这一散热途径的对流散热作用。合理地开通风孔应注意三个问题:

(1)通风孔的位置。合理的通风孔的进出风口的位置应在机壳的底部(进风孔)和顶部(出风孔)的两侧;应防止气流短路;应使气流对准发热的元器件。图2－24(a)是合理的通风孔位置;图2－24(b)的进出风孔开到了一边，不能带走元器件上的热量，所以不合理。图2－24(c)的进出风孔的位置太近，因风压小，容易造成气流短路，而且也带不走元器件上的热量，所以也不合理。

图2－24　合理与不合理的通风孔位置

(2)通风孔的形状。通风孔的形式很多，图2－25是其中的几种。图2－25(a)所示之孔为冲压而成，制造简单，但灰尘容易进入设备内部。图2－25(b)所示为在孔比较大时，用金属编织的网格罩住，而金属网用框子固定在外壳孔的边缘上。图2－25(c)为冲制的百叶窗，是目前应用最广泛的一种，因为百叶窗可以防止灰尘直接落入设备内，并可以提高机壳的强度。

图2－25　通风孔的结构形式

(3)通风孔的大小通风孔的面积与由通风孔散掉的热量之间的关系式为

例2－1某电子设备的损耗功率为100W，通过壁面自然对流及辐射散去的热量为70W，还有30W需开通风孔进行对流散热。假定设备内外空气温度差为14℃，设备的高度为100cm，通风孔开在底部和顶部，试计算通风孔的面积。

解:由式(2－28)得

根据计算的开孔面积及开孔的原则决定每个孔的尺寸，并进行打孔结构的布置。